Modélisation de la turbidité d’origine minérale sur le plateau continental Nord Gascogne

C.Tessier (1) , P. Le Hir (1), M. Lunven (2), F. Dumas (1)

IFREMER-BREST (1) DYNECO-PHYSED (2) DYNECO-PELAGOS

Collaborations :

SHOM , IFREMER-DYNECO , IFREMER-ERT-HO

Directeur de thèse: P. Castaing, DG0 Bordeaux 1

1- Introduction

2- Les turbidités en Bretagne Sud

3- Le forçage par la houle

4- Les modèles utilisés

5- Initialisation du sédiment

6- Résultats des modèles6.1-L’effet de la marée6.2-L’effet des houles

7- Conclusion

1 - Introduction

Pourquoi la Turbidité ?• Témoin des transits de sédiments fins

• Facteur d’atténuation de la lumière (limitation production primaire)

• Indication de la transparence de l’eau pour les opérations amphibies (DGA)

Les facteurs de Turbidité : • apports par les fleuves

• transports par les courants de marée

• remises en suspension par les vagues

• efflorescences de phytoplancton

2 - Les turbidités connues en Bretagne Sud

• images satellites : information de surface

• campagnes à la mer : données ponctuelles, rarement pendant les tempêtes

• différents capteurs : différentes unités de mesures

• mouillages en mer : données en continu

Matières En Suspension - Moyennes Mensuelles : (F. Gohin, IFREMER /DYNECO- PELAGOS, source SeaWIFs /NASA)

Janvier Mars

NovembreJuin

- et au fond ?

0

0.5

1

2

4

6

8

10

Particle Size Analyzer Calibration

y = 0.0981x + 0.095R2 = 0.9536

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 100 200 300 400 500

Volume particulaire (µl/l)

M.E

.S. (

mg/

l)

NUTRIGASVILOIRGASPRODTotalLinéaire (Total)

NUTRIGAS 02/2001MES - fond (mg/l)

Campagnes en mer :

1999-2003: MODYCOT (SHOM)

2001: NUTRIGAS (IFR)

2002: GASPROD,

TROPHAL (IFR)

2003: VILOIR (IFR)

2004: OPTIC-PCAF (SHOM)

Données du granulomètre laser in-situ

3 - Les forçages

- marée : connue

- circulations vent / densité: Lazure et Jegou, 1998

- houles et mers du vent

Houle : base de données AES40 d’Ocean Weather, simulation 22 ans Atlantique Nord

Hsig (m)

probabilités d'occurrence des vagues

020406080

100120140160

Hsig

< 1m

Hsig

< 2m

Hsig

< 3m

Hsig

< 4m

Hsig

< 5m

Hsig

< 6m

Hsig

< 7m

Hsig

< 8m

Hsig

< 9m

Hsig

< 10

mHs

ig <

11m

Hsig

< 12

mHs

ig >

12m

nom

bre

de jo

urs

par a

n

012345678910

Durée caractéristique des tempêtes :

16-20 heures

années

Occurrence des vagues (nb de jours par an)

Cycle saisonnier des houles

occurrence des vagues au large (46°,9 N / 4°,2 W)

vagues simulées toutes les 6 h de 1979 à 2000

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

janvie

rfév

rier

mars avril

mai juin

juille

tao

ûtse

ptembre

octob

reno

vembre

déce

mbreHsig < 13mHsig < 12mHsig < 11mHsig < 10mHsig < 9mHsig < 8mHsig < 7mHsig < 6mHsig < 5mHsig < 4mHsig < 3mHsig < 2mHsig < 1m

Provenance des houles

Hs = 5 m

N

Périodes caractéristiques

Vagues considérées dans nos simulations

4 - Les modèles utilisés

•HYDRODYNAMIQUE: MARS 3D (Lazure et Jegou, 1998 ; Lazure et Dumas, soumis)

Différences Finies, cartésien irrégulier, coordonnées sigma

•SEDIMENT: SiAM 3D (Cugier et Le Hir, 2000)

Transport, Erosion, Dépôt, sédiment multicouches (+Tassement)

• + Biogéochimie (Loyer et al. 2001; Cugier et al. 2005; Huret et al., soumis)

•VAGUES: SWAN (Booij et al, 1999)

modèle spectral de 3ième génération

La configuration Bretagne Sud

Vilaine

Loire

Bathymétrie (m)

•Maillage : 700 - 2000 m,

raffiné Loire-Vilaine et orienté de 30°

• 8 niveaux sigma

• Sédiment :

sable (Ws=2 cm/s)

vase (0.1<Ws<1mm/s)

• Forçage :

Marée (modèle Plateau, Huret et al.)

Fleuves

Vent et flux solaires

Vagues (modèle SWAN)

Erodimétrie sur Thalassa : campagnes Gasprod et Trophal

Gasprod 30-1 station D muddy sand (220 µ)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 2 4 6 8 10 12 14 16

time (mn)

Discharge l/s

turbidity Volt

Erosion

~2.5 g/m2/s

Erosion

~1g/m2/s

Criticaldischarge

To ~2.5 PaTo ~4 Pa

→ Loi d’érosion : E = 0.0003 (To/0.3 -1)

5 - Initialisation du sédiment

Distribution des dépôts actuels

Contraintes de cisaillement exercées sur le fond par la

marée (N/m2)

Distribution des dépôts actuels

Vase déposée

Effet des houles: vitesses orbitales pour Hsig = 5m

Tpic = 13 s

Dir. 270°Basse mer

cm/s

5.2 - Fond sédimentaire utilisé

• Condition initiale uniforme :80% sable + 20% vase

• Forçages :marée houle moyenne Hs = 2 m Tp = 8 s, d’ W et NW alternéeshoules fortes Hs = 5 m Tp = 13 s, d’ W et NW (6 événements)

Sédiment « initialisé »

Sédiment « initialisé »

6 – turbidités simulées

jours

MES (mg/l)

Courants (cm/s)

Vive eau Morte eau

6.1 Effet de la marée

6.1 Effet de la marée

Calibration avec un turbidimètre

jours

MES (mg/l)

surface

fond

MES générées par la marée

surface

fond

avec du vent d’Est …

6.2 Effet des houles Hs = 5 m, W puis W-NW

jours

6.2 Effet des houles Hs = 5 m, W puis W-NW

jours

MES (mg/l)

Courants (cm/s)

6.2 Effet des houles Hs = 5 m, W puis W-NW

jours

MES (mg/l)

Calibration avec un turbidimètre

surface

fond

surface

fond

Matières en suspension (mg/l)

pendant tempête W

surface

fond

Matières en suspension (mg/l)

4 jours après tempête

surface

fond

Matières en suspension (mg/l)

4 jours après tempête

Image seawifs 1998

Conclusion

• la modélisation permet de hiérarchiser les forçages (importancedes vagues), et d’expliquer la forte variabilité des turbidités

• difficulté liée à l’initialisation du fond sédimentaire

• besoin de mesures en continu, pour la validation, en vue d’une utilisation opérationnelle

Perspectives :

• analyse spatio-temporelle des turbidités pour d’autres situations de forçage

• validation du modèle avec les mesures ADCP (intensité rétrodiffusée)

jours