Master GPRE, SEE

RAPPORT DE STAGE

Étude morphodynamique de l'Orne dans le secteur de Jœuf (Lorraine)

Patrick JUSTICA, 2014-2015

SommaireIntroduction..........................................................................................................................................11-Présentation du site d'étude...............................................................................................................22-Matériel et méthode...........................................................................................................................3

2-1 Observations de terrain et cartographie.....................................................................................32-2 Le jaugeage................................................................................................................................3

2-2-1 La perche...........................................................................................................................32-2-2 Le mesureur de vitesse à effet Doppler (Acoustic Doppler Courant Profiler)..................4

2-3 La topographie des bancs..........................................................................................................52-3-1 Le tachéomètre..................................................................................................................52-3-2 Le GPS..............................................................................................................................7

2-4 Traitement des données.............................................................................................................82-4-1 Winriver.............................................................................................................................82-4-2 TGO...................................................................................................................................82-4-3 Autocad..............................................................................................................................82-4-4 Protocole............................................................................................................................8

3-Résultats............................................................................................................................................93-1 Observation de terrain et cartographie......................................................................................93-2 Modélisation............................................................................................................................103-3 Calcul de puissances spécifiques.............................................................................................13

4-Discussion / Interprétation des résultats..........................................................................................15Conclusion..........................................................................................................................................16Bibliographie......................................................................................................................................17Annexes..............................................................................................................................................20Résumé...............................................................................................................................................27Summary.............................................................................................................................................27

Table des illustrationsIllustration 1: Carte de la zone d'étude.................................................................................................2Illustration 2: ADCP (Streampro).........................................................................................................4Illustration 3: Tachéomètre...................................................................................................................5Illustration 4: Mire à prise réflecteur....................................................................................................6Illustration 5: GPS différentiel monofréquence....................................................................................7Illustration 6: Modélisation 3D des lits mineur et majeur de la section HP5 (vue oblique depuis la rive droite en amont)..........................................................................................................................10Illustration 7: Croquis de la coupe en travers du banc HP5...............................................................10Illustration 8: Modélisation 3D du banc SA1 où sont visible les courbes de niveau (vue oblique depuis la rive gauche en aval de la section)........................................................................................11Illustration 9: Modélisation 3D du banc SA1 où sont en plus visibles les triangles (vue identique à l'illustration précédente).....................................................................................................................11Illustration 10: Coupe en travers du banc SA1...................................................................................12Illustration 11: Croquis de la coupe travers du banc SA1 (vue depuis l'amont sur la rive droite).....12Illustration 12: Graphique représentant la coupe en travers d'HP5 et le niveau d'eau.......................13Illustration 13: Graphique de tendance entre le k et la hauteur d'eau.................................................14Carte hors-texte :................................................................................................................................18

IntroductionCette étude s’inscrit dans le cadre d'un stage de fin d'année de première année de master

« Géosciences, Planète, Ressources, Environnement » de la faculté des sciences de Nancy, sur une période de deux mois du 7 avril au 22 mai 2015.

Le stage s'est déroulé au laboratoire Loterr, centre de recherche en géographie à l'UFR Sciences Humaines et Sociales de l'île du Saulcy à Metz. Ce laboratoire provient de la fusion des deux laboratoires de géographie de Metz, le CEGUM (Centre d’Étude Géographique de l'Université de Metz), et de Nancy le CERPA (Centre d’Études et de Recherches sur les Paysages). Loterr est une unité de recherche en géographie comprenant une trentaine d'enseignants-chercheurs et d'ingénieurs dont une partie s’inscrit dans l'axe de recherche « Eaux et milieux » portant sur les dynamiques de l'environnement étudiées selon des approches géomorphologiques, hydrologiques, et climatologiques en relation avec le fait anthropique.

Ce travail a pour cadre le projet MOBISED qui a pour objet l'étude de la remobilisation des sédiments de l'Orne aval dont bassin versant fut en grande partie occupé par une intense activité minière et industrielle. Ce projet pluridisciplinaire en hydrologie, géochimie et microbiologie vise à comprendre les mécanismes de remise en suspension des sédiments fins et leurs contaminants en lien avec la qualité des eaux.

L'objectif de notre étude sera de déterminer la relation qui lie les effets hydrodynamiques d'un cours d'eau et l'origine de bancs sédimentaires. Le tronçon étudié se trouve au niveau d'une zone de remous à l'amont d'un barrage, sur un cours d'eau sinueux. Le but est donc de mettre en évidence les raisons expliquant l'existence et la localisation de bancs composés de matières fines par rapport à la dynamique du cours d'eau.

Pour réaliser cette étude il s'agira de cartographier le site afin de cibler des bancs qui serviront de support à une modélisation. Cette modélisation rendra possible les calculs permettant d'établir la relation entre l'hydrodynamique du cours d'eau et la formation de bancs sédimentaires.

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1-Présentation du site d'étude

La présente étude concerne l'Orne, une rivière située en Lorraine et s'écoulant dans les départements de la Meuse, la Meurthe-et-Moselle et la Moselle. Le cours prend sa source à 320 m d'altitude dans les Côtes de Meuse et s'écoule sur 85,8 km de long. Il s'agit d'un affluent en rive gauche de la Moselle et donc un sous affluent du Rhin (Wikipédia, 2015).

Le site d'étude se situe à Jœuf (54), soit à environ une vingtaine de kilomètres au nord-ouest de Metz. L'étude porte sur un tronçon se trouvant entre deux barrages, Homécourt à l'amont et Beth à l'aval (Moyeuvre Grande). Plus exactement les opérations se sont déroulées sur des lieux-dits nommés Haropré et Saint-Anne (illustration 1).

Le tronçon étudié se situe dans une vallée encaissée dans un plateau, dans un grand méandre. Sur la partie sud du tronçon, à Haropré, l'Orne s'écoule dans sa plaine alluviale. Dans la partie nord à Saint-Anne, le cours d'eau s'écoule au pied d'un versant escarpé en rive gauche avec une plaine alluviale de moins de 200 m de large en rive droite. Au sud-est du tronçon une butte occupe l'intérieur du méandre à l'est de la ville de Jœuf.

Par ailleurs, entre Homécourt et Moyeuvre l'Orne a subi de nombreuses interventions humaines. Afin d'éviter de nouvelles grandes inondations telles que celles qui ont touché la Lorraine en 1947 et 1958, le S.C.R.O (Syndicat de Communes Riveraines de l'Orne) a notamment entrepris le chantier de curage et de calibrage de la fin des années 1960 jusqu’en 1988 (Martinois, 2014).

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©google mapsIllustration 1: Carte de la zone d'étude

Rosselange 3 km

©google image

Haropré

Sainte-Anne

500 m

Barrage de Beth

Barrage d'Homécourt

Nord

2-Matériel et méthode

Pour atteindre l'objectif fixé, trois types de mesures ont été réalisées sur le terrain. Premièrement une cartographie basée sur des observations morphodynamiques. Deuxièmement des mesures de jaugeage pour connaître les débits, hauteurs d'eau et vitesses. Et troisièmement une topographie fine des bancs sédimentaires sélectionnés afin de les modéliser en 3D. A partir de ces modélisations seront extraites des données de transects c'est à dire des coupes en travers du lit. Les données issues de la modélisation et des jaugeages seront ensuite traitées sur tableur afin d'en déduire les puissances spécifiques. Le traitement sur tableur associera les caractéristiques hydrauliques c'est-à-dire le débit, la vitesse, la hauteur d'eau et la puissance spécifique, et les caractéristiques propres au lit mineur tels que la section mouillée, le périmètre mouillé, le rayon hydraulique, la hauteur et la largeur du lit et la rugosité. Ces informations nous permettront enfin d'établir des relations entre puissance du cours d'eau et dépôt de sédiments fins.

2-1 Observations de terrain et cartographie

La cartographie des berges s'est effectuée en binôme, dont un des opérateurs se trouve dans l'eau équipé de Wadders ou dans un bateau pneumatique afin d'observer l'intérieur des berges et de relever leurs texture, végétation, construction ou tout autre élément pouvant influencer la dynamique fluviale. L'autre opérateur se trouve sur la rive et est équipé d'un télémètre laser afin de donner la distance parcourue segment par segment pour chacune des berges.

Les informations peuvent ensuite être entrées sur un logiciel de SIG ; Qgis 2.8.1 a été utilisé. L'essentiel est de représenter à la meilleure échelle possible les observations faites sur le terrain.

2-2 Le jaugeage

2-2-1 La perche

Il s'agit d'un instrument constitué d'un moulinet monté sur une perche équipée d'un boîtier contenant un calculateur et les mécanismes du moulinet. Cet instrument sert à mesurer la vitesse de l'eau sur une verticale en un point, par la rotation d'une hélice. Cette hélice est choisie parmi un lot d'hélices, chacune étant adaptée à un type d'écoulement (laminaire, torrentiel...). Ces hélices comportent un numéro de série que l'on doit entrer dans un logiciel. Ce numéro de série renvoie à une équation faisant la relation entre le nombre de tours d'hélice et la vitesse (Banque Hydro, 1998, 2015).

Pour prendre une mesure, la perche fonctionne en faisant descendre de façon automatisée le moulinet jusque dans le fond du lit, la mesure commence seulement en faisant remonter le moulinet. En remontant, l'hélice tourne selon la vitesse du courant et s'arrête une fois arrivée à la surface. Il est ainsi obtenu une vitesse et la profondeur (Musy, 2015).

La procédure de mesure sur la section est la suivante : un décamètre est tendu d'une rive à l'autre de façon perpendiculaire à l'écoulement. L'opérateur à la perche prend une mesure verticale à des

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distances régulières le long du transect. Il renvoie l'information indiquée par le boîtier à l'opérateur situé sur la rive prenant ainsi en note les informations. Parmi les informations à faire figurer, il y a également certains paramètres de station et de condition de mesure tels la texture du lit, le type d'écoulement, le numéro de l'hélice utilisée, la date, l'heure, etc (annexe 1). Ces informations assurent la reproductibilité de la mesure.

La mesure à la perche ne peut cependant être effectuée dans un cours d'eau dont la profondeur excède la hauteur de la perche (1 m) et dont la vitesse d'écoulement excède 1 m/s. Au-delà, l'utilisation d'un ADCP est nécessaire.

2-2-2 Le mesureur de vitesse à effet Doppler (Acoustic Doppler Courant Profiler)

L'ADCP (de marque Streampro) mesure des profils verticaux de la vitesse d'eau en utilisant l’énergie acoustique (effet Doppler). Il possède quatre transducteurs (illustration 2) émettant, de façon indépendante les uns des autres, des ultrasons envoyés sous la forme d'une salve de tirs appelés ping.

Le principe repose sur le fait que lorsqu'une impulsion d'ultrasons est émise, celle-ci est réfléchie par les MES (matières en suspension) présentes dans l'écoulement, puis est retournée vers l'ADCP avec une fréquence décalée proportionnellement à la vitesse de l'écoulement. Cela repose sur l'hypothèse qu'il y a une présence suffisante de MES dans le cours d'eau et que les MES qu'un cours d'eau transporte vont à la même vitesse que le courant (Unité observatoire Hydrologique et Ingénierie (OBHI) IRD Montpellier, 2007).

Le signal est ainsi utilisé sous deux aspects, le temps d'aller-retour pour définir la hauteur d'eau et le décalage de fréquence pour définir la vitesse moyenne de cette tranche d'eau.

Ainsi l'ADCP permet de mesurer : la vitesse du courant à différentes hauteurs d'eau, la géométrie de la section de jaugeage, sa propre vitesse et sa direction de déplacement. Dans le cadre de cette étude, l'ADCP est utilisé à la fois pour fournir des valeurs hydrométriques ainsi que pour donner la morphologie en travers du lit mineur.

En le faisant ainsi traverser d'une rive à l'autre, le calculateur prend en compte ces différentes données et détermine un débit en temps réel en coopération avec le logiciel « Winriver ». Il est toutefois recommandé de le faire traverser plusieurs fois afin d'avoir les estimations les plus justes.

L'opérateur se trouvant en possession de l’ordinateur doit s'assurer de la bonne qualité des résultats de toute la durée d'une traversée. Il doit en effet contrôler qu'il n'y a pas de perte de signal et s'assurer de la cohérence des résultats affichés à l’écran (Le Coz et al., 2007).

L'ADCP comporte en outre quelques limites d'utilisation relatives notamment à une vitesse trop élevée (>5 m/s). Par ailleurs le dispositif devient faillible avec des profondeurs inférieures à 20 cm.

4Illustration 2: ADCP (Streampro)

2-3 La topographie des bancs

La réalisation d'un levé topographique est indispensable. Effectué depuis la berge il permet de préciser la pente du lit mineur et du lit majeur et les cotes de débordement sur chaque rive. Ce levé est complété si nécessaire par différents profils en travers (ADCP, perche) et permettra de préciser les calculs d'extrapolation de débits.

2-3-1 Le tachéomètre

Le tachéomètre est un théodolite (Geodimeter) permettant, en plus de mesurer les angles horizontaux et verticaux, de mesurer les distances. Ainsi pour mesurer une distance il faut disposer d'un prisme réflecteur qui permet de renvoyer l'onde infrarouge émise depuis l'appareil.

Sa mise en station doit se faire le plus rigoureusement possible afin de réduire au maximum les erreurs de mesures horizontales, verticales et de hauteur. Pour cela il faut dans un premier temps placer le trépied au-dessus du repère (illustration 3) tout en l'alignant sur le plan horizontal grâce au niveau à bulle en ajustant la hauteur des pieds. L'ajustement peut être affiné grâce aux molettes du socle du théodolite. Il s'agit ensuite de placer délicatement le théodolite déjà équipé de l'ordinateur sur le socle et de le verrouiller. Une fois l'alimentation branchée, l'ordinateur (de marque Trimble) peut être mis en route pour ensuite lancer le logiciel « survey controller ». Un dernier ajustement s'impose, à partir du logiciel, il faut ouvrir la fenêtre de la bulle électronique et l'ajuster si besoin. Il

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Illustration 3: Tachéomètre

est désormais possible d'entrer les paramètres de la station : hauteur (par rapport au repère), pression atmosphérique, température, ainsi que sa localisation dans l'espace. Cette dernière entrée peut être coordonnée soit sur un azimut soit de manière relative en visant un point connu devenant ainsi l'azimut 0. Le reste du levé sera donc spatialisé de façon relative et sera donc à ajuster sur un azimut réel lors du traitement.

La mire (illustration 4) est un prisme réflecteur permettant de renvoyer l'onde infrarouge émise par le théodolite. Ce réflecteur est monté sur une perche graduée et munie d'un niveau à bulle. Il est impératif de se placer parfaitement sur un point (s'il est déjà connu) et de façon orthogonale faute de quoi l'inclinaison de la perche donnera une erreur de hauteur et d'emplacement.

La mesure nécessite ainsi d'être effectuée par deux opérateurs, l'un positionné au tachéomètre visant à travers la lunette la mire maintenue par le deuxième opérateur.

Dans le cadre de cette étude, le levé topographique au tachéomètre nous permet de rendre compte de la morphologie du lit mineur et majeur mais complète surtout les données relevées à l'ADCP. La modélisation de l'intégralité des bancs sélectionnés donne ainsi la possibilité de réaliser des profils en travers à plusieurs niveaux des bancs.

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Illustration 4: Mire à prise réflecteur

2-3-2 Le GPS

Le géoréférencement de la zone d'étude a été effectué grâce à un GPS différentiel monofréquence (de marque Trimble 4600LS ; illustration 5). Il convient de placer l'appareil au-dessus d'un point précis s'il est déjà localisé, ou sinon de placer un repère. Le système fonctionne grâce à deux antennes échangeant des signaux avec les satellites gravitant autour de la Terre. Il est cependant important de laisser communiquer le GPS assez longtemps (30 à 45 minutes) afin de resserrer le plus finement les mailles de la triangulation.

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Illustration 5: GPS différentiel monofréquence

2-4 Traitement des données

2-4-1 Winriver

Winriver est le logiciel dépendant de l'ADCP avec qui il communique lorsqu'une mesure est en cours. Ce logiciel permet de visualiser la morphologie du lit ainsi que la hauteur d'eau, le débit, les vitesses, sa propre direction et le sens du courant. C'est à partir de ce logiciel que les points de coupe en travers sont extraits (Teledyne intruments, 2009).

2-4-2 TGO

TGO est un logiciel de modélisation en géométrie. Il permet d'organiser en trois dimensions les points relevés sur le terrain avec le tachéomètre et le GPS.

2-4-3 Autocad

Autocad est un logiciel de modélisation 3D destiné à une gamme d'utilisation très variée. TGO et Autocad sont tous les deux utilisés dans cette étude pour des fonctions différentes, chacun possédant des fonctionnalités différentes.

2-4-4 Protocole

Les données de l'ADCP sont ouvertes sous Winriver et transposées dans un format lisible par Autocad. Les données relevées avec le Survey Controller sur le terrain sont ouvertes sur TGO. Il est dès lors important de leur appliquer un système de géoréférencement (Lambert-93). Le fichier est ensuite exporté en .txt et sera ouvert sur Excel afin de transformer les données de géoréférencement en radians tel que peut le lire Excel, le fichier est ensuite exporté au format .xyz lisible par le logiciel Autocad. Sur ce logiciel il s’agira d’effectuer un contrôle du placement des points puis de l’exporter dans un format lisible par le logiciel TGO en .dxf après avoir entré les données de z. Il faut à présent s’assurer de la bonne triangulation des points et sinon retoucher les triangles de manière logique et selon la réalité du terrain. La topographie du terrain étant à présent établie, les données sont réinjectées sur Autocad, où il est désormais possible d’entrer les informations de hauteur d’eau relevées sur le terrain. Ces points de hauteur d’eau sont complétés par d’autres points créés sur Autocad dans la mesure de la logique du terrain, à la fois numériquement et tel que cela a pu être observé sur le terrain.

Après extraction des données spatiales du Survey Controller ainsi que celles transmises par l'ADCP et traitement de ces données sur les différents logiciels, il a pu être obtenu des modélisations 3D sur Autocad.

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3-Résultats3-1 Observation de terrain et cartographie

Ce travail cartographique visait à repérer et spatialiser les caractéristiques des berges de l'Orne comme la végétation, les aménagements ou d'autres éléments anthropiques ou naturels (sources, encoche d'érosion), la morphologie des berges et la texture du lit (carte hors-texte).

On peut constater que les bancs se situent surtout en rive droite. Les berges sont en grande partie sapées ou bien enrochées et se présentent moins souvent sous la forme d'une berge douce. Plus précisément, les berges douces se rencontrent plutôt en rive droite, tandis que la rive gauche présente de plus longues sections de sapement, en dehors des secteurs enrochés. A ce sujet, on note que la texture du lit à proximité de la berge est souvent constituée de blocs, soit issus des anciens enrochements de berge démantelés soit issus du versant abrupt de rive gauche à Sainte-Anne (éboulis).

En ce qui concerne les bancs sédimentaires, s'ils se situent majoritairement en rive droite, ils sont également fréquemment développés après un embâcle végétal.

Ainsi on remarque que ces bancs ont tendance à se mettre en place le plus souvent là où la végétation crée une accumulation de matériaux. Sur le tronçon étudié ce phénomène est certainement aidé par la zone de remous qui favorise le dépôt de sédiments fins. En l'occurence ces sédiments sont de taille colloïdale (argiles, limons). Enfin, le tronçon se trouve de surcroît dans une courbe d'un méandre de vallée, ce qui peut aussi (à l'image des bancs latéraux des cours d'eau sinueux) justifier la formation de bancs sur des segments plus sinueux en l'absence de végétation.

Cette cartographie a permis de sélectionner les bancs du transect ADCP HP5 (cf. Perrot, 2014), dont le banc se nommera également HP5, et SA1. Aux deux endroits seront effectués des jaugeages à l'ADCP et une topographie au tachéomètre.

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3-2 Modélisation

Dans les deux cas, pour HP5 et SA1, la modélisation combine les points relevés au tachéomètre et ceux créés par l'ADCP. Tous se juxtaposent avec précision les uns par rapport aux autres et par rapport à la réalité du terrain. Des points de niveau d'eau figurent également afin de modéliser la hauteur à un instant T. Dans le meilleur des cas, en fonction de l'avancement des travaux, plusieurs points de dates différentes ont pu être relevés, ce qui sera utile lors des calculs de puissances.

A partir de cette modélisation 3D, le logiciel Autocad permet d’établir des profils en travers allant d'une rive à l'autre sur le segment mesuré (droites rouges, illustration 6). Un de ces profils est sélectionné afin d’y extraire ses données spatiales qui seront utilisées sur Excel. Ce transect a pour but de relever sur une ligne droite tous les points avec leurs coordonnées x y z et de les transférer sur tableur afin de créer une courbe avec des axes x correspondant à la coupe en travers du lit (soit les données x et y des points) et y correspondant aux données z des points (illustration 7). Les points de niveau d'eau connus sont dès lors insérés, obtenant ainsi les différents paramètres du cours d'eau sur une section précise (3-3).

On remarque ici que le banc comprend une certaine ampleur avec des dimensions de l'ordre d'une vingtaine de mètres de long sur 3 à 5 m de large selon l'endroit.

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Illustration 6: Modélisation 3D des lits mineur et majeur de la section HP5 (vue oblique depuis la rive droite en amont)

Illustration 7: Coupe en travers du lit au niveau du banc HP5

Dans le cas de SA1, la modélisation a concerné un banc très étendu en longueur et en largeur soit une quarantaine de mètres par 6,4 m.

A partir de la modélisation 3D, un tracé de coupe transversale permet une visualisation en 2D afin d'estimer l'épaisseur et la largeur du banc (illustrations 8 et 9).

Pour déterminer le fond du lit sous le banc, on peut prolonger de manière hypothétique (illustrations 10 et 11) les segments de droite représentant le talweg mesuré au fond du cours d'eau et sur la berge. Pour préciser l'épaisseur du banc, il faudrait y planter une tige de bois ou de métal graduée suffisamment robuste jusqu'à atteindre un niveau plus cohérent généralement rocheux ou rocailleux.

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Illustration 8: Modélisation 3D du banc SA1 où sont visibles les courbes de niveau (vue oblique depuis la rive gauche en aval de la section)

Illustration 9: Modélisation 3D du banc SA1 où sont en plus visibles les triangles (vue identique à l'illustration précédente)

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Illustration 10: Coupe en travers du banc SA1

Illustration 11: Croquis de la coupe en travers du banc SA1 (vue depuis l'amont sur la rive droite) : résultat des mesures en surface et estimation de l'épaisseur du banc

3-3 Calcul de puissances spécifiques

Illustration 12: Graphique représentant la coupe en travers d'HP5 et le niveau d'eauSur ce graphique en 2D (illustration 12), la courbe en bleu traduit la morphologie du lit à un

endroit précis, issue des points créés au tachéomètre et à l'ADCP. Sur ce graphique est introduite la ligne d'eau (droite en rose) modélisée par une asymptote horizontale. Ce type de graphique constituera donc la base du travail des calculs de puissances. Il est en effet dès à présent possible d'en tirer les paramètres constitutifs du lit tels la section mouillée, le rayon hydraulique, le périmètre mouillé ainsi que la rugosité du lit. Cela sera mis en relation avec les hauteurs d'eau et débits enregistrés.

Dans le cas du banc HP5, il s'agit d'estimer le débit à plein bord sur la section HP4 inter, en aval d'HP5. Cependant, ne disposant pas de mesure effectuée en crue à HP4, cela nous amène à estimer la hauteur d’eau à plein bord et son débit en fonction des autres mesures. Pour cela nous disposons de mesures topographiques effectuées à Haropré (ADCP, tachéomètre), et de mesures hydrologiques à Haropré et aux stations hydrométriques de Jœuf Abattoir, du barrage de Beth et de Rosselange (débit fréquentiel et référence).

Dans un premier temps il est préférable de regarder dans la littérature les méthodes employées pour déterminer le débit de plein bord (Qb). Dans deux publications différentes, Petit (2015a, 2015b) emploie la même méthode, avec un calcul basé sur la taille du bassin versant. Il y a cependant deux calculs différents mais l’un comme l’autre donnent sensiblement le même résultat. On remarque de plus que ces résultats se rapprochent fortement du QJ2 (débit biannuel) de Rosselange (130 m3/s) ce qui pourrait potentiellement être un résultat correct.

Qb selon Petit=0,1346×1136(taille du BV )0,974=127,345m3/s

Qb selon Petit=0,128×11360,981=127,214 m3/ sDe ce débit (127 m3/s) on en déduit un coefficient k de rugosité (Manning-Strikler) de 11,3 par le

calcul : k=( Q

section mouillée×rayonhydraulique23×√ pente

) et une vitesse moyenne de 0,8 m/s

(par le calcul : Q/section mouillée).

Or on s’aperçoit que cette vitesse est inférieure à la vitesse mesurée (0,9 m/s) à partir du débit de seulement 50,4 m3/s et de la section mouillée de 50 m2 à HP4inter. On sait également que la section mouillée à plein bord de la station HP5 est de 144 m². La vitesse est donc un indicateur primordial,

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elle nous indique si les résultats sont crédibles lorsqu'ils sont associés aux autres paramètres.

On décide donc de s'appuyer sur les mesures connues pour établir une relation entre les hauteurs moyennes et les k correspondants (illustration 13).

Cet ajustement se fait en effet avec deux courbes de tendance, l'une représentant les mesures réelles (série 1) et l'autre avec les mêmes chiffres mais légèrement modifiés (série 2) afin d’obtenir un R² le plus proche de 1. Il faut toutefois maintenir des pourcentages d'erreurs les plus faibles entre les hauteurs d'eau réelles et celles calculées avec l'équation de la droite de tendance.

Cette équation, grâce à la hauteur d'eau à plein bord soit environ 4,9 m, va servir à calculer un k correspondant à cette hauteur d'eau. A partir de ce k pourra être extrait un débit qui correspondra au Qb ; le calcul est : Q=k×(section mouillée×rayonhydraulique

23×√ pente)

Nous obtenons donc un Qb d’environ 200m3/s. Cette hypothèse peut être renforcée par un nombre de Froude qui semble aller dans la continuité du nombre de Froude des débits connus (cf annexes 7).

A partir de ces deux valeurs de Qb, un calcul de la puissance spécifique de l'Orne est réalisé selon

l'équation ω= g.ρ.Qb.Sw où g est l'accélération de la gravité (9,81 m/s²), ρ la masse volumique de

l'eau (1000 kg/m3), Qb le débit à plein bord en m³/s et S la pente de la ligne d'eau (soit 0,0014 m/m) et w la largeur du lit à plein bord (soit 46 m). Notons que la pente a été calculée sur cette seule section de 39 m de long.

A l'issue de ce calcul les résultats indiquent des valeurs de 39,6 W/m² pour le débit estimé avec le calcul de Petit et de 60,9 W/m² pour le Qb obtenu par la deuxième méthode.

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Illustration 13: Graphique de tendance entre le k et la hauteur d'eau

4-Discussion / Interprétation des résultats

La cartographie des rives de l'Orne dans le secteur de Haropré a été réalisée afin de connaître dans quelle mesure l'hydrodynamique de l'Orne dans cette zone de remous permettrait l'accumulation de sédiments fins. L'accumulation de sédiments est effectivement influencée par la force du courant mais d'autres facteurs interviennent. Des dépôts se forment sur la rive où le courant est plus faible, au droit et à l'aval d'un embroussaillement dense ainsi que dans la partie convexe des sinuosité du cours d'eau. Il peut donc s'agir de quoi que ce soit qui ferait obstacle à l'écoulement, même de façon subtile. Avec le temps, des branches d'arbre qui rejoignent la surface de l'eau, un arbre prenant racine en partie dans l'eau ou même un gros bloc à faible profondeur, peuvent retenir des matériaux grossiers (branches, feuillage) qui eux-mêmes par accumulation retiendront les sédiments fins. D'après le graphique de Hjulström, pour des particules de cette taille, il est nécessaire que les vitesse soient excessivement faibles (<0,1 cm/s) pour qu'il y ait dépôt (Malavoi et al., 2010 ; Malavoi et Bravard, 2010). Ces sédiments seront retenus d'une part du fait de la présence de l'obstacle, mais pourront se déposer également après l'obstacle en raison de la réduction de vitesse de l'eau. Par ailleurs, la remobilisation de ces sédiments s'annonce difficile en raison du colmatage et des vitesses nécessaires pour leur ablation, de l'ordre de 1 m/s. Le colmatage se définit par un déficit hydrologique marqué conduisant au dépôt tassé de sédiments (Agence de l'eau Rhône, Méditerranée, Corse, 1999).

La modélisation des bancs a permis de rendre compte de façon assez juste de la dynamique hydraulique de la rivière dans le secteur étudié. Il en résulte ainsi des données ponctuelles, à relativiser par rapport à d'autres tronçons comprenant plus de données. L'étude a pu être aboutie sur HP5 mais est incomplète pour SA1. Cependant des changements notables sont déjà visibles entre les deux bancs distants d'environ 500 m. En effet, le banc SA1 en aval est déjà plus étendu en longueur et en largeur ce qui peut correspondre à une influence plus importante de la zone de remous. Les travaux à poursuivre sur SA1 conduiront à mettre en comparaison les variations hydrodynamiques longitudinales du cours d'eau.

Toutefois, on remarque déjà qu'aux abords d’HP4 inter et HP5 devrait se situer la limite de l’influence du barrage situé 4,4 km en aval. Il y a là une diminution de la vitesse d’écoulement due à la zone de remous ; ainsi se déposent des sédiments. En effet, le barrage de Beth porte une grande influence sur l'écoulement. Le flux est ralenti comme le montre le coefficient k de rugosité qui se situe entre 10 et 20 indiquant un « cours d'eau à embâcle » (Sic.g-eau, 2015).

Ce phénomène est en outre perturbé par le barrage amont (Homécourt) qui stocke une partie du flux sédimentaire de l'Orne. Ce barrage génère également des retenues et des lâchers d'eau. Lors de lâchers d'eau, des sédiments fins proches du barrage peuvent être emportés et aller se déposer dans la zone de remous du barrage aval (Beth).

En ce qui concerne les puissances spécifiques, on peut noter que celle estimée par les formules de Petit correspondent mieux aux valeurs communes des cours d'eau sinueux. Mais cette puissance a été estimée avec un débit à plein bord jugé en dessous de la réalité. Des travaux plus approfondis et davantage de mesures devraient permettre de mettre en relation ces paramètres avec plus de justesse.

Par ailleurs, et dans un contexte plus général, il est important de rappeler que le tronçon étudié se situe entre deux barrages, le cours d'eau dans ce secteur a donc un régime totalement anthropisé et est donc soumis à des variations de débit assez conséquentes.

Rappelons de plus que le lit du cours d'eau lui-même a subi des aménagements avec des curages et

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recalibrages. De ce fait il semble intéressant de se pencher sur ces processus de dépôts de sédiments postérieurs aux travaux d'aménagement. Toutefois le temps consacré à cette étude ne permet pas d'établir un suivi en continu sur plusieurs années. C'est la raison pour laquelle une modélisation de ces bancs est indispensable dans un premier temps afin de pouvoir ensuite suivre leur évolution.

Conclusion

Au sein du cours d'eau de l'Orne dans le secteur de Jœuf, cette étude consistait à établir une relation entre la dynamique hydraulique et la formation de bancs sédimentaires. Pour cela il a été nécessaire de prendre la mesure des bancs HP5 et SA1 dans leur contexte topographique afin d'établir la relation qu'entretenaient ces bancs face au comportement hydrodynamique du cours d'eau. Il s'agit de deux bancs situés au cœur d'un méandre de l'Orne dont la modélisation 3D a permis de rendre compte de leur morphologie permettant d'en déduire des caractéristiques relatives à l’écoulement. Suite aux aménagements réalisés sur le cours d'eau, des dépôts sous forme de bancs de sédiment sont apparus sous l'impulsion de cette dynamique fluviale particulière soutenue par l'influence du barrage de Beth, la morphologie de méandre de l'Orne dans ce secteur ainsi que par d'autres facteurs locaux tels que la végétation ou encore les caractéristiques de la rive. Il s'agit donc d'un système mobilisant plusieurs éléments entrant en relation par un jeu de cause-conséquence qui a favorisé la mise en place et le maintien de ces bancs.

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Annexes1- Fiche type de jaugeage à la perche

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2- Fenêtre du logiciel Winriver en cours d'utilisation

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3- Jaugeage de la section SA1 à l'ADCP

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4- Jaugeage au barrage de Beth à l'ADCP

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profondeurX corrigés Y corrigés Z ht à l'échelle d alt d dist dist réelle dist cumulée 0

919272,098 6908524,275 177,6843 177,4973069897 0 0 0 0 0 0,000 0,00000 0 0919273,738 6908524,180 177,68029974 177,4973069897 0 0,00400026 1,6420000003 0 0 0,000 0,00000 0 1,6420000003919291,817 6908523,133 177,6482976597 177,4973069897 0 0,0320020803 18,1100000001 0 0 0,000 0,00000 0 19,7520000003919305,095 6908522,364 177,5336235401 177,4973069897 0 0,1146741195 13,2999999997 0 0 0,000 0,00000 0 33,052919310,366 6908522,059 177,4996213302 177,4973069897 0 0,03400221 5,2800000003 0 0 0,000 0,00000 0 38,3320000003919311,508 6908521,993 177,5042882997 177,4973069897 0 -0,0046669695 1,1439999999 0 0 0,000 0,07574 0 39,4760000001919312,239 6908521,951 177,2836072901 177,4973069897 0,2136996996 0,2206810095 0,7320000003 0,7088429606 0,7088429606 0,214 0,29743 0,7403552555 40,2080000004919313,100 6908521,901 177,0209235499 177,4973069897 0,4763834398 0,2626837402 0,8619999997 0,8619999997 1,5708429602 0,476 0,13568 0,9011363641 41,0700000001919313,374 6908521,885 176,9869213399 177,4973069897 0,5103856498 0,03400221 0,275 0,275 1,8458429603 0,510 0,92874 0,2770941181 41,3450000001919314,577 6908521,815 176,4662208297 177,4973069897 1,0310861601 0,5207005103 1,2050000003 1,2050000003 3,0508429605 1,031 0,41389 1,3126896138 42,5500000003919314,944 6908521,794 176,2728749296 177,4973069897 1,2244320601 0,1933459 0,3669999995 0,3669999995 3,4178429601 1,224 1,27814 0,4148151838 42,9169999999919315,823 6908521,743 175,8201788399 177,4973069897 1,6771281498 0,4526960897 0,8810000007 0,8810000007 4,2988429607 1,677 2,28830 0,990502272 43,7980000006919317,134 6908521,667 175,6888369701 177,4973069897 1,8084700196 0,1313418698 1,3129999997 1,3129999997 5,6118429604 1,808 4,58339 1,3195528356 45,1110000002919319,843 6908521,510 175,9281858596 177,4973069897 1,5691211301 -0,2393488895 2,7140000004 2,7140000004 8,3258429608 1,569 1,15306 2,724533702 47,8250000006919320,577 6908521,468 175,9288525697 177,4973069897 1,56845442 -0,0006667101 0,7349999988 0,7349999988 9,0608429596 1,568 3,96673 0,7350003012 48,5599999994919323,205 6908521,316 176,05152721 177,4973069897 1,4457797797 -0,1226746402 2,6320000003 2,6320000003 11,6928429599 1,446 0,93459 2,6348573147 51,1919999997919323,838 6908521,279 175,99485686 177,4973069897 1,5024501297 0,05667035 0,6340000003 0,6340000003 12,3268429602 1,502 2,30718 0,6365277127 51,826919325,335 6908521,192 175,9235188901 177,4973069897 1,5737880996 0,0713379699 1,4999999995 1,4999999995 13,8268429598 1,574 1,47224 1,50169541 53,3259999996919326,230 6908521,141 175,7848432097 177,4973069897 1,71246378 0,1386756804 0,8960000001 0,8960000001 14,7228429599 1,712 0,99179 0,9066680454 54,2219999997919326,744 6908521,111 175,35814881 177,4973069897 2,1391581798 0,4266943998 0,5150000005 0,5150000005 15,2378429604 2,139 0,80329 0,6687997543 54,7370000002919327,101 6908521,090 175,1488018698 177,4973069897 2,3485051199 0,2093469402 0,3579999997 0,3579999997 15,59584296 2,349 3,77237 0,4147169409 55,0949999998919328,408 6908521,014 174,08206587 177,4973069897 3,4152411197 1,0667359998 1,309 1,309 16,90484296 3,415 0,42349 1,6886108768 56,4039999999919328,530 6908521,007 173,9700585897 177,4973069897 3,5272484 0,1120072804 0,1219999998 0,1219999998 17,0268429599 3,527 1,76079 0,1656189325 56,5259999997919329,002 6908520,980 173,5793665302 177,4973069897 3,9179404595 0,3906920595 0,4730000001 0,4730000001 17,49984296 3,918 0,53157 0,6134894339 56,9989999998919329,136 6908520,972 173,4813601597 177,4973069897 4,01594683 0,0980063705 0,1340000001 0,1340000001 17,6338429601 4,016 3,50840 0,1660158086 57,1329999999919329,979 6908520,923 173,2093424798 177,4973069897 4,2879645099 0,2720176799 0,8449999995 0,8449999995 18,4788429597 4,288 0,04289 0,8877041272 57,9779999995919329,989 6908520,923 173,2073423501 177,4973069897 4,2899646396 0,0020001297 0,0100000009 0,0100000009 18,4888429606 4,290 3,84913 0,0101980654 57,9880000004919330,866 6908520,872 173,0193301297 177,4973069897 4,47797686 0,1880122204 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60,1179999997919333,130 6908520,741 172,8093164801 177,4973069897 4,6879905097 0,1246747699 1,0160000002 1,0160000002 21,6348429601 4,688 0,05627 1,0236209253 61,1339999999919333,142 6908520,740 172,8066496402 177,4973069897 4,6906573495 0,0026668398 0,0120000001 0,0120000001 21,6468429602 4,691 0,08915 0,0122927636 61,146919333,161 6908520,739 172,8039827998 177,4973069897 4,6933241899 0,0026668404 0,019 0,019 21,6658429602 4,693 0,05633 0,019186246 61,165919333,173 6908520,738 172,8026493802 177,4973069897 4,6946576095 0,0013334196 0,0120000001 0,0120000001 21,6778429603 4,695 0,05634 0,0120738565 61,1770000001919333,185 6908520,738 172,80131596 177,4973069897 4,6959910297 0,0013334202 0,0119999998 0,0119999998 21,6898429601 4,696 4,10676 0,0120738562 61,1889999999919334,055 6908520,687 172,76331349 177,4973069897 4,7339934998 0,03800247 0,8709999998 0,8709999998 22,5608429599 4,734 0,05682 0,8718286457 62,0599999997919334,067 6908520,687 172,7613133596 177,4973069897 4,7359936301 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6908520,064 172,7933154399 177,4973069897 4,7039915498 -0,0006667101 0,0280000005 0,0280000005 33,3498429602 4,704 0,13640 0,0280079369 72,8490000001919344,855 6908520,062 172,7946488601 177,4973069897 4,7026581296 -0,0013334202 0,0290000004 0,0290000004 33,3788429606 4,703 0,31024 0,0290306395 72,8780000005919344,920 6908520,058 172,7986491202 177,4973069897 4,6986578695 -0,00400026 0,0659999995 0,0659999995 33,4448429601 4,699 0,15504 0,0661211162 72,9439999999919344,953 6908520,056 172,7993158297 177,4973069897 4,6979911601 -0,0006667095 0,0329999999 0,0329999999 33,47784296 4,698 0,15499 0,0330067341 72,9769999998919344,986 6908520,054 172,8019826701 177,4973069897 4,6953243196 -0,0026668404 0,0329999999 0,0329999999 33,5108429599 4,695 1,17459 0,0331075827 73,0099999997919345,237 6908520,040 172,8333180396 177,4973069897 4,6639889501 -0,0313353695 0,2510000001 0,2510000001 33,76184296 4,664 4,25683 0,2529484244 73,2609999998919346,155 6908519,987 172,90732285 177,4973069897 4,5899841397 -0,0740048103 0,9199999999 0,9199999999 34,6818429598 4,590 2,71583 0,9229716744 74,1809999997919346,745 6908519,953 172,8966554901 177,4973069897 4,6006514996 0,0106673599 0,5910000005 0,5910000005 35,2728429603 4,601 1,52160 0,5910962638 74,7720000001919347,076 6908519,933 172,9039893001 177,4973069897 4,5933176897 -0,00733381 0,3309999994 0,3309999994 35,6038429597 4,593 0,71521 0,3310812353 75,1029999995919347,232 6908519,924 172,9213237598 177,4973069897 4,5759832299 -0,0173344597 0,1560000002 0,1560000002 35,7598429599 4,576 6,00172 0,1569601337 75,2589999997

919348,550330188 6908519,84805 172,9866613399 177,4973069897 4,5106456498 -0,0653375802 1,3209999999 1,3209999999 37,0808429598 4,511 1,85319 1,322614834 76,5799999996919348,960642846 6908519,82429 172,9899948899 177,4973069897 4,5073120999 -0,0033335499 0,4110000007 0,4110000007 37,4918429605 4,507 1,19188 0,4110135194 76,9910000003919349,225199669 6908519,808971 173,0093294799 177,4973069897 4,4879775098 -0,0193345901 0,2650000001 0,2650000001 37,7568429605 4,488 2,82485 0,2657043967 77,2560000003919349,857141061 6908519,772378 173,0599994402 177,4973069897 4,4373075496 -0,0506699602 0,6329999998 0,6329999998 38,3898429604 4,437 1,15690 0,6350247591 77,8890000002919350,118702901 6908519,757231 173,1033355898 177,4973069897 4,3939713999 -0,0433361497 0,2619999998 0,2619999998 38,6518429601 4,394 0,94040 0,265559827 78,1509999999919350,333343342 6908519,744802 173,1433381902 177,4973069897 4,3539687996 -0,0400026003 0,2149999999 0,2149999999 38,86684296 4,354 1,09462 0,2186897528 78,3659999998919350,587916889 6908519,730061 173,2660128298 177,4973069897 4,2312941599 -0,1226746396 0,2550000006 0,2550000006 39,1218429606 4,231 3,18523 0,2829736163 78,6210000004919351,360622477 6908519,685316 173,4980279099 177,4973069897 3,9992790798 -0,2320150802 0,7739999992 0,7739999992 39,8958429598 3,999 0,71950 0,8080266061 79,3949999996919351,542318107 6908519,674795 173,5900338901 177,4973069897 3,9072730996 -0,0920059802 0,1820000009 0,1820000009 40,0778429607 3,907 1,26260 0,2039340597 79,5770000005919351,874761209 6908519,655545 173,8213822602 177,4973069897 3,6759247296 -0,23134837 0,3329999997 0,3329999997 40,4108429604 3,676 0,72327 0,4054763471 79,9100000002919352,077421718 6908519,643809 174,04739695 177,4973069897 3,4499100398 -0,2260146898 0,2029999998 0,2029999998 40,6138429601 3,450 1,07184 0,3037953915 80,1129999999919352,392893251 6908519,625541 174,1634044897 177,4973069897 3,3339025 -0,1160075398 0,3160000004 0,3160000004 40,9298429605 3,334 4,25297 0,3366210771 80,4290000004919353,900367977 6908519,538249 175,1981384098 177,4973069897 2,2991685799 -1,0347339201 1,5099999995 1,5099999995 42,4398429601 2,299 1,40817 1,8305120278 81,9389999999919354,540295991 6908519,501193 175,4028183798 177,4973069897 2,0944886099 -0,20467997 0,6410000005 0,6410000005 43,0808429605 2,094 0,87904 0,672885496 82,5800000003919354,979560149 6908519,475757 175,5961642799 177,4973069897 1,9011427099 -0,1933459 0,4399999992 0,4399999992 43,5208429597 1,901 1,55568 0,4806065296 83,0199999995919355,947937954 6908519,419682 176,1908695999 177,4973069897 1,3064373899 -0,59470532 0,9700000006 0,9700000006 44,4908429603 1,306 0,79057 1,1377936627 83,9900000001919356,72164187 6908519,37488 176,76357349 177,4973069897 0,7337334998 -0,5727038901 0,7749999995 0,7749999995 45,2658429598 0,734 0,36404 0,9636465872 84,7649999997

919357,701999607 6908519,318111 177,4896206798 177,4973069897 0,00768631 -0,7260471898 0,9820000009 0,9820000009 46,2478429607 0,008 0,00005 1,2212569441 85,7470000005919358,019467794 6908519,299727 177,6622985701 177,4973069897 0 -0,1726778904 0,3179999992 0,014154948 46,2619979087 0,000 0,00000 0,0161072007 86,0649999998919358,418798847 6908519,276603 177,7623050697 177,4973069897 0 -0,1000064996 0,4 0 46,2619979087 0,000 0,00000 0 86,4649999998919360,194823708 6908519,17376 177,6849667101 177,4973069897 0 0,0773383596 1,7790000006 0 46,2619979087 0,000 0,00000 0 88,2440000004919361,752214816 6908519,083578 177,7956405702 177,4973069897 0 -0,1106738601 1,559999999 0 46,2619979087 0,000 0,00000 0 89,8039999994919362,937229718 6908519,014958 177,77897282 177,4973069897 0 0,0166677502 1,1870000013 0 46,2619979087 0,000 0 90,9910000007

#N/D #N/D

5- Traitement des coordonnées des points du transect HP5 destiné à la création du graphique sur Excel

6- Traitement des données hydrométriques

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7-Le nombre de Froude est une unité de mesure caractérisée par l'importance relative de l'énergie cinétique des particules par rapport à leur énergie potentielle gravitationnelle dans un fluide et est calculée de la façon suivante :

F= vitesse si ≠ 0√9,81×profondeur moyenne

L'extrapolation du calcul de débit est en cohérence avec les débits mesurés.

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RésuméAprès une étude préalable traitant de la morphologie du lit mineur de l'Orne, cette étude vise à donner des explications sur l'origine et la localisation de bancs sédimentaires. L'étude s'est donc orientée sur la recherche d'une relation entre l'hydrodynamique de l'Orne dans ce secteur et l'existence de bancs constitués de matières fines. En effet, la zone d'étude se trouve 4 km en amont du barrage de Beth. Le tronçon étudié se trouve ainsi dans une zone de remous qui semble favoriser le dépôt de sédiments. Une représentation cartographique a été réalisée afin d'obtenir une spatialisation des caractéristiques morphosédimentaires. A partir de cette cartographie, deux bancs furent sélectionnés afin d'y réaliser des mesures plus approfondies, dans le but d'identifier les effets de la dynamique fluviale sur les bancs sédimentaires. Une topographie des bancs, de leurs berges et du lit mineur a donc été réalisée au tachéomètre et à l'ADCP. L'ADCP permet également d'effectuer des mesures de débit nécessaires pour obtenir des données sur la dynamique fluviale. Après traitements des données topographiques, une modélisation 3D des bancs fut réalisée sur Autocad. Cette modélisation a permis d'obtenir une coupe en travers exploitable sur Excel. Les données de jaugeages ont été entrées sur Excel pour les mettre en relation avec le profil en travers afin d'en déduire les puissances spécifiques de ce cours d'eau. Dans la suite du projet, il pourra être déterminé d'une part des relations entre transport de solides et dynamique fluviale, et par ailleurs, l'évolution des bancs sous différentes conditions hydrologiques.

Mots-clés : dynamique fluviale, banc sédimentaire, ADCP, topographie, tachéomètre, puissance spécifique, Orne, Jœuf.

SummaryAfter a preliminary study treating from the morphology of the riverbed of the Orne, this study aims at to give explanations about origins and location of these sedimentary banks. So the study wanted to research a relation between the hydrodynamic of the Orne in this place and the living of these fine materials banks. Indeed, the studied zone is located 4km upstream the Beth dam. There is also a remarkable swirl area which seems to promote sediment deposit. Thus a cartographic study was performed to have a visual support of banks location. Then two banks were seclected to realise more studies about effects of the river dynamic on the sedimentary banks. A topography of banks, shores, and riverbed has been made with tachometer and ADCP. ADCP allows to do gauging to get data about river dynamics. After topographic data treatment, a 3D modeling of banks has been realised with Autocad. This modeling allows to get a workable Excel cross-cut. Gauging data are input in Excel to create a relation with cross-cut to get specific powers of the river. In the case where studies are continued, it could be determined relation between sediment transport and river dynamics, and banks evolution under several hydrologic conditions.

Key-words : river dynamic, sedimentary bank, ADCP, topography, tachometer, specific power, Orne, Jœuf.

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