Florence Gerber

Rapport de stage Master 2 recherche

Océanographie physique et météorologie côtière Université de Toulon et du Var

Juin 2007

Hydrodynamique du Golfe d'Aigues-Mortes : Mesures in-situ et modélisation

Tuteur de stage : Yann Leredde

Laboratoire Géosciences Montpellier Université Montpellier II

NAUSICAA

REMERCIEMENTS

Je tiens tout d’abord à remercier toute l’équipe ‘Bassins’ du laboratoire ‘Géosciences Montpellier’ qui m’a accueillie lors de mon stage, et en particulier Yann LEREDDE pour avoir proposé ce sujet de stage et m’avoir conseillée, encadrée et corrigée tout au long de ces quatre mois de travail. Merci à Cléa pour ses nombreux coups de pouces lorsque les simulations posaient problème et à Benoît pour avoir partagé son bureau avec moi. Je remercie également mes professeurs pour m’avoir permis d’effectuer mon stage dans ce laboratoire. Enfin, je remercie les deux équipages du Téthys qui ont été très compréhensifs quand ‘les chercheurs’ se sentaient mal. Mes remerciements s’adressent aussi à la région Languedoc-Roussillon pour avoir financé les campagnes.

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SOMMAIRE REMERCIEMENTS .................................................................................................................. 1 SOMMAIRE .............................................................................................................................. 2 INTRODUCTION...................................................................................................................... 3 1-CONTEXTE ........................................................................................................................... 4 1-1/Contexte scientifique ........................................................................................................... 4 1-2/Contexte géographique ........................................................................................................ 6 2-MATERIEL ET METHODES................................................................................................ 8 2-1/Les campagnes HYGAM07................................................................................................. 8

2-1-1 Les instruments :........................................................................................................... 9 2-1-2 le déroulement ............................................................................................................ 11

2-2/La modélisation.................................................................................................................. 12 2-2-1 Les modèles ................................................................................................................ 12 2-2-2 Les simulations numériques ....................................................................................... 17

3-RESULTATS ET DISCUSSIONS ....................................................................................... 18 3-1 Confrontation des différentes séries temporelles sur toute la période du 12 février au 31 mars2007 .................................................................................................................................. 18

3-1-1 Analyse des données in-situ ....................................................................................... 18 3-1-2 Simulation SYMPHONIE «forcée» par les vents observés du 12/02 au 31/03. ........ 26

3-2 Hydrodynamique du GAM pendant les campagnes .......................................................... 27 3-2-1 HYGAM07-1 : du 12/02 au 14/02 ............................................................................. 27 3-2-2 HYGAM07-3 : du 25/03 au 27/03 ............................................................................. 30

3-3 Hydrodynamique du GAM pendant la tempête de Sud-Est du 18/02 ............................... 33 3-3-1 Simulation forcée des courants générés par vent de Sud-Est ..................................... 33 3-3-2 Simulations académiques ........................................................................................... 34

4-APPLICATION A LA DISPERSION DE CONTAMINANTS........................................... 38 3-1 contexte .............................................................................................................................. 38 3-2 Notion de concentration et d’âge du contaminant ............................................................. 38 3-3 La simulation numérique ................................................................................................... 39 3-4 Les résultats ....................................................................................................................... 40 CONCLUSION ........................................................................................................................ 42 BIBLIOGRAPHIE …………………………………………………………………………..43

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INTRODUCTION Le littoral Languedocien a été fortement aménagé pour accueillir des touristes toujours plus nombreux. L’activité humaine et économique générée fait que les enjeux sont majeurs. Par ailleurs, ce littoral composé de longues plages de sable est soumis à de nombreux aléas, comme l’érosion, la submersion ou encore la contamination. Cette zone littorale est de ce fait particulièrement soumise aux risques. Afin de mieux gérer ces risques, il faudrait idéalement pouvoir ‘dompter’, ou à défaut ‘prévoir’ les aléas. La connaissance de l’hydrodynamique est essentielle pour obtenir des informations sur les transports sédimentaires et particulaires. Des études de l’hydrodynamique dans le Golfe du Lion (Petrenko et al, 2005) et plus récemment dans le Golfe d’Aigues-Mortes (Leredde et al, 2007) ont été et sont encore menées dans cette optique. Le laboratoire ‘GéoSciences Montpellier’ essaie depuis 3 ans de caractériser avec précision l’hydrodynamique dans le Golfe d’Aigues-Mortes, en particulier pendant des périodes de tempête. Pour cela, les chercheurs se basent sur la modélisation et les mesures in-situ. Le travail de thèse de Denamiel (2006) a permis de mettre en évidence deux types de forçages responsables de l’évolution du littoral sableux -les courants de circulation et la houle-, et de modéliser leurs effets grâce au modèle SYMPHONIE-SWELL. Dans ce rapport, je présenterai dans une première partie le contexte scientifique et géographique de l’étude réalisée au laboratoire. Dans une deuxième partie, j'exposerai les méthodes utilisées pour caractériser l'hydrodynamique, à savoir les mesures et les simulations numériques. Dans la troisième partie, je présenterai les résultats de mon travail, et enfin, dans une quatrième partie, je donnerai un exemple d'application directe du modèle pour le calcul de dispersion de polluants.

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1- CONTEXTE

1-1/Contexte scientifique Le laboratoire « GéoSciences Montpellier » UMR CNRS/Université Montpellier II est l’une des plus importantes unités de recherche universitaires (120 permanents) concernant les Sciences de la Terre, en France. Au sein du laboratoire, l’équipe ‘Bassins sédimentaires’, composée de 10 chercheurs permanents, étudie la dynamique sédimentaire actuelle et passée. Deux maîtres de conférences, deux post-doctorants et 1 thésard étudient en particulier les processus hydrodynamiques ainsi que la dynamique sédimentaire associée, dans les lagunes et les zones côtières et littorale. Le projet Alcinoos Le projet ALCINOOS, (modélisation 3D et AnaLyse des effets CombINés de la hOule et des cOurants de circulation sur la dynamique Sédimentaire de l’échelle côtière à l’échelle littorale, 2004-2007), financé par le programme national LEFE (Les Enveloppes Fluides et l'Environnement) a été le premier projet du laboratoire concernant l’hydrodynamique sédimentaire. Le premier volet du projet concernait la modélisation numérique couplée houle-courant dans les zones littorales et côtières où il a été démontré que les courants de circulation (thermohalins ou de dérive due aux vents) peuvent être du même ordre de grandeur que ceux induits par la houle. La modélisation s’est faite sur la base du modèle de circulation océanique côtière SYMPHONIE et du modèle de propagation de houle REF/DIF. Cet aspect a été traité par Cléa Denamiel pendant sa thèse (2003-2006). Après avoir étudié la théorie complète des interactions houle-courant et déterminé lesquelles étaient prépondérantes et modélisables, elle a pu adapter et lier les deux modèles cités plus haut afin qu’ils représentent le mieux possible la circulation à l’échelle pré-littorale (échelle intermédiaire entre l’échelle littorale et l’échelle côtière). Le modèle couplé se nomme SYMPHONIE-SWELL. Le second volet concernait la mesure servant à la validation du modèle et à la caractérisation de certains processus sédimentaires. Pour cela, du matériel de mesure hydrodynamique a été déployé aussi bien à l’échelle littorale (0-20 m) grâce au bateau de laboratoire PROGELAC qu’à l’échelle pré-littorale (20-100 m) grâce aux navires Néréis et Téthys II dans le cadre des campagnes HYGAM (Hydrodynamique du Golfe d'Aigues-Mortes.). Le projet Nausicaa Un second projet, NAUSICAA (Caractérisation des conditions hydro-météorologiques en zone littorale et analyse des risques littoraux, du comportement des ouvrages de protection et de la dynamique des prairies de Posidonia oceanica.), sous-projet du programme européen BEACHMED-e (www.beachmed.it) est actuellement en cours au laboratoire.

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Il regroupe 5 laboratoires européens et a pour but:

- la caractérisation des climats de houle et des conditions hydrodynamiques et météorologiques, sur la base de mesures et de modélisations;

- l'étude des phénomènes d'érosion et de surcôte de tempête en zone littorale; - l'étude des processus d'endommagement des ouvrages artificiels de protection en zone

littorale et le développement de méthodes pour le suivi et la prédiction de leur comportement;

- l'étude des processus d'interaction entre la houle et les biotopes marins (exemple des prairies de Posidonia oceanica).

Concrètement, au niveau du laboratoire, le projet consiste à réaliser une base de données en ligne de mesures en zone pré-littorale et littorale, ainsi qu'un outil en ligne de consultation d'un atlas hydrodynamique du littoral du Languedoc-Roussillon. L'atlas sera également disponible en version papier, et il sera conçu de telle sorte qu'il sera directement utilisable par les gestionnaires du littoral. Y figureront des cartes issues des modélisations de l'hydrodynamique de diverses zones, littorales et pré-littorales, du golfe d'Aigues-Mortes par différents scénarios de vent. Cet atlas est actuellement en cours de réalisation. Il est financé par le SMNLR (Service Maritime et de Navigation Languedoc-Roussillon). Le projet Microgam Enfin, le laboratoire vient de lancer en partenariat avec les laboratoires « Ecolag », « Hydrosciences Montpellier » et « LAMETA », le projet MICROGAM (ModélIsation des Contaminations bactéRiennes d’Origine fécale du Golfe d’Aigues-Mortes en vue d’une gestion de risques en temps réel). Ce programme de recherche a pour objectif général de répondre aux préoccupations de gestion de la qualité sanitaire des eaux côtières du GAM formulées d’une part par les associations d’usagers et d’autres parts par les collectivités territoriales. Le rôle du laboratoire sera d'utiliser le modèle hydrodynamique SYMPHPONIE-SWELL pour simuler la diffusion des contaminations microbiennes dans le GAM à partir des flux entrants et suivant différents scénarios météorologiques caractéristiques de la région. La modélisation sera par la suite couplée au modèle biologique de survie d'E. Coli développé par Ecolag.

Le stage Mon stage se situe dans la continuité de ALCINOOS et du travail de thèse effectué par Cléa Denamiel, s’intègre au projet NAUSICAA et est précurseur du projet MICROGAM. Durant la première partie du stage, j'ai eu l'occasion de participer aux campagnes HYGAM07 qui nous ont fourni en données que j'ai d'abord mises en forme. Ces données seront par la suite mises en ligne (www.gladys-littoral.org) Une second aspect du stage a été la modélisation de l'hydrodynamique du GAM par situations académiques de vent, en vue, la encore, d'alimenter l'atlas hydrodynamique créé dans le cadre de NAUSICAA

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Nous avons également pu effectuer des simulations 'forcées' de l'hydrodynamique du GAM pendant les périodes de campagnes, que nous avons par la suite comparé aux mesures. A plus long terme, lorsque d'autres séries de données seront disponibles, la comparaison entre les modélisations et les mesures permettra la validation du modèle SYMPHONIE-SWELL. Enfin, j'ai pu commencer à simuler des dispersions de contaminants par situations de vent académiques, en vue du projet MICROGAM.

1-2/Contexte géographique Localisation Le Golfe d’Aigues-Mortes se situe au Nord du golfe du Lion qui lui-même est situé au Nord-Ouest de la mer Méditerranée. A l’origine, le Golfe correspond à une zone délimitée à l’Est par Port-Camargue et à l’Ouest par Palavas-Les-Flots. Nous avons élargi notre zone d’étude qui elle s’étend de la Pointe de l’Espiguette à l’Est, au Cap d’Agde à l’Ouest. Au Sud elle est ouverte sur la mer. C’est cette zone que nous appellerons par la suite Golfe d’Aigues-Mortes (GAM). Le GAM est un plateau dont la pente est très faible (0.5%) jusqu’à l’isobathe 80m et qui est quasiment plat au-delà. Plus au Sud se trouve la pente continentale qui est la limite du Golfe du Lion. Une zone fragile La côte est sableuse, et a beaucoup été aménagée, tant pour des raisons d’urbanisation que touristiques. Le GAM compte notamment : - Le port de Sète qui est le premier port de pêche français de Méditerranée, avec 15000

tonnes de poissons pêchés par années. - Port-Camargue qui est le premier port de plaisance de France avec 4800 places. - Les stations balnéaires de Palavas-Les-Flots et la Grande-Motte qui, aménagées en 1960,

ont énormément changé la côte. De nombreux logements ont été construits, ainsi que des digues visant à minimiser l’érosion en des points précis.

La zone est donc particulièrement sujette à l’érosion. Toutes les plages sont à ce jour en érosion, à part la pointe de l’Espiguette qui elle est en accrétion de 2m par an. Par ailleurs, la zone compte de nombreux rejets en mer: - le rejet des eaux usées de l’agglomération de Montpellier qui comptait 400 000 habitants

en 2005. Les eaux sont collectées dans un pipeline de 10 km et rejetées au large de Palavas par 30 m de profondeur.

- le rejet des eaux usées de Sète dont les eaux sont évacuées à 11 km de la côte par une profondeur de 35m.

Enfin, les rivières Mosson, Lez, Vidourle et Vistre se jettent dans le GAM. Leurs bassins versants s’étendent sur des zones fortement urbanisées (Montpellier, Nîmes) et cultivées (vignes) qui peuvent être sources de pollution du milieu marin.

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Les vents Le GAM se situe à la convergence de deux types de vent: le Mistral (vent du Nord), qui souffle dans la vallée du Rhône entre le Massif Central et les Alpes, et la Tramontane (vent du Nord-Nord-Ouest) qui souffle entre les Pyrénées et le Massif Central. Ces deux types de vent soufflent souvent en même temps. On retrouve également des vents de Sud-Est (Marin) qui sont plus rares mais qui peuvent être particulièrement violents. Intérêt de l’étude d’une telle zone En ce qui concerne les transports sédimentaires, les études à l’échelle littorale (plages) ne considèrent en général que les effets de la houle et des vagues qui sont prédominants par rapports aux effets des courants de circulation, tandis que les études à l’échelle côtière (échelle du golfe du Lion) ne considèrent que les courants de circulation. L’échelle du Golfe d’Aigues-Mortes est un intermédiaire entre l’échelle côtière et l’échelle littorale. On l’appellera échelle pré-littorale. A cette échelle, en cas de tempête, nous pensons que les effets de la houle sont tout aussi importants que les effets des courants de circulation sur les transports de sédiments. Par ailleurs, c’est uniquement à cette échelle que les sédiments qui sont remis en suspension par les houles ou apportés par les fleuves sur la zone littorale sont susceptibles d’être transportés vers le large par les courants de circulation.

Pointe de l’Espiguette

Figure 1: Localisation du Golfe d'Aigues Mortes

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2-MATERIEL ET METHODES Ce chapitre a pour but de présenter les différents moyens qui sont utilisés à Géosciences Montpellier pour étudier l’hydrodynamique du GAM. Dans une première partie, je présenterai les campagnes HYGAM qui ont permis d’obtenir une quantité importante de données nécessaires à la caractérisation de l’hydrodynamique du GAM et à la validation du modèle SYMPHONIE-SWELL. Dans une deuxième partie, après être revenu sur la théorie concernant le couplage houle-courant, je présenterai les modèles utilisés pour la caractérisation de l’hydrodynamique.

2-1/Les campagnes HYGAM07 Trois campagnes ont eu lieu successivement les 12-13-14 février, 2-3 mars et 25-26-27 mars 2007. Ces campagnes, nommées HYGAM07 pour Hydrodynamique du Golfe d’Aigues-Morte, s’inscrivent dans la série de campagnes HYGAM, dont la première a eu lieu en 2005, à raison de 3 à 4 campagnes par an (Leredde et al, 2007). Les campagnes sont à chaque fois séparées par une quinzaine de jours afin de se dérouler sous des conditions météorologiques différentes, et elles se déroulent à des périodes différentes chaque année. Ces campagnes ont pour but, grâce aux données ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) et CTD (Conductivity, Temperature, Depth) collectées, de décrire les caractéristiques hydrodynamiques du golfe en fonction des différentes situations de vent, et aussi de valider les modèles SIMPHONIE et SIMPHONIE-SWELL.

2-1-1 Les instruments : La zone pré-littorale est une zone où les mesures sont difficiles à mettre en œuvre car il y a une forte activité de pêche, et notamment de chalutage. Il est impossible de laisser des bouées dans la zone, elles seraient immédiatement déplacées ou endommagées. Il est donc nécessaire, afin d’étudier cette zone, d’utiliser un bateau à bord duquel les mesures sont faites.

Le bateau qui est utilisé est le navire océanographique de 25m TETHYS II de l’INSU. Ce bateau, qui peut accueillir jusqu’à 8 chercheurs en plus des 7 membres d’équipage permanents, est équipé d’un ADCP profileur situé sous sa coque, d’un thermo-salino-fluorimètre, ainsi que de treuils permettant la mise à l’eau de divers appareils océanographiques. Nous avons également emprunté une CTD au COM (Centre d’Océanographie de Marseille, J.L. FUDA). De plus, le SMNLR (Service Maritime Navigation Languedoc Roussillon) a financé dans le cadre de NAUSICAA l’achat d’un ADCP profileur/houlographe qui a été posé par 70m de fond au large de Sète. En échange des données récupérées par ce moyen, le SMNLR nous fournis les données de houle enregistrées au large de Sète, par 30 m de fond, par une bouée Datawell. Par ailleurs, Météo-France nous fournit gracieusement les données météorologiques enregistrées à Sète et à la Grande-Motte.

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Figure 2: Stations de mesures (numéros), emplacement de l'ADCP de fond (triangle rouge) et emplacements des stations météorologiques (points verts)

Les ADCP :

• ADCP de fond :

Fonctionnement L’ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) mesure des profils de courant par effet Doppler, et ce pendant toute la durée de sa mise à l’eau. Il est associé à un capteur de pression qui permet de mesurer les caractéristiques de vagues et houle. L’appareil est posé au fond de l’eau dans un socle de protection appelée TRBM (« Trawl-Resistant Bottom Mount », dôme de fond résistant au chalutage), et est orienté vers la surface (figure 3). Il prend un ensemble de mesures, et en enregistre la moyenne toutes les heures. Les données sont stockées dans l’appareil qui fonctionne grâce à des batteries. Environ tous les 6 mois, il faut récupérer l’appareil afin de recharger les batteries et transférer les données.

Figure 3 : ADCP dans le TRBM, juste avant la mise à l’eau

Mesure du courant: L’ADCP est équipé de 4 transducteurs qui envoient des faisceaux acoustiques avec un angle de 30 degrés par rapport à la verticale. Chaque paire émet des ondes sonores suivant le même axe horizontal mais le premier transducteur émet dans un sens et le second dans l’autre. Les faces des transducteurs «voient» donc ce qui se passe des deux côtés. Les ondes sont réfléchies par les particules en suspension.

Figure 4: Montage pour effectuer la mise a l'eau de l'ADCP

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Ces particules ont la même vitesse que la masse d’eau. En réfléchissant l’onde, elles modifient sa fréquence. Les transducteurs, qui jouent à la fois le rôle d’émetteur et récepteur, évaluent la distance des particules grâce au temps que met l’onde à parcourir le trajet aller-retour, et leur vitesse en analysant l’effet Doppler, autrement dit la variation de fréquence. Ainsi, l'ADCP peut mesurer les vitesses à différentes profondeurs, ce qui permet de réaliser des profils de courant (Girardot, 2002). Mesure de la houle : Pour mesurer la houle, l’ADCP va mesurer les courants horizontaux en surface, mais également la pression au fond grâce à un capteur intégré. Il obtiendra ainsi des séries temporelles de ces deux types de données. Ces séries sont ensuite décomposées en séries de Fourier. En comparant la vitesse et la pression pour les différentes fréquences obtenues, on obtient des informations sur la direction des vagues. La pression seule quant à elle donne accès à la hauteur (Terray et al). Procédure de mise à l’eau et de remontée : La mise à l’eau se fait grâce à un largueur acoustique. L’appareil est fixé à des cordes comme le montre la figure 4. Il est descendu avec un treuil jusqu’à 1m au dessus du fond, hauteur à partir de laquelle il peut être lâché (grâce au largueur acoustique) et doit normalement descendre sans se retourner jusqu’au fond. La récupération se fait également grâce à un largueur acoustique encastré dans le TRBM. Quand il est déclenché, l’ADCP et le TRBM (boîtier de protection) sont désolidarisés. L’ADCP qui est assez léger remonte à la surface. Il reste attaché au TRBM par une longue corde, qui une fois attrapée permet de récupérer le TRBM.

• ADCP de coque L’ADCP de coque est positionné sous la coque du bateau, il permet de mesurer les courants sur toute la colonne d’eau, et ce tout le long du trajet. Il fonctionne comme l’ADCP de fond mais regarde vers le bas. Le bateau ne doit néanmoins pas aller trop vite afin que les mesures puissent être prises correctement. Sa vitesse et son attitude (roulis, tangage…) doivent également être connues, car elles doivent être prises en compte lors du calcul des vitesses de courant réelles.

La sonde CTD : La sonde CTD (Conductivity, Temperature, Depth) mesure la pression, la conductivité et la température de l’eau avec un pas d’échantillonnage de quelques centimètres. De ces mesures, elle peut déduire la salinité et la masse volumique. Elle est mise à l'eau à partir du navire en différentes stations grâce à un treuil et un câble électro-porteur qui permet la transmission des données à l'ordinateur de bord. Ainsi, elle permet d’obtenir des profils sur toute la colonne d’eau en un endroit et un moment précis.

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Le THERMO-SALINO-FLUORIMETRE : Cet appareil, situé sur le bateau, permet de mesurer en continu la température, salinité et fluorescence de l’eau le long du trajet du bateau. Pour cela, l’eau est pompée, l’appareil effectue ses mesures sur l’échantillon prélevé, et l’eau est évacuée. Le processus recommence tout le long du trajet.

La BOUEE DATAWELL : La bouée Datawell (www.datawell.nl) mesure les caractéristiques des vagues/houle. Les mouvements verticaux de la surface de la mer sont communiqués à la bouée qui est équipée d’un accéléromètre. Les indications recueillies sont intégrées 2 fois afin d’obtenir les informations sur les caractéristiques des vagues.

2-1-2 le déroulement Les trois campagnes ont débutées au port de Sète. Durant chaque campagne, nous avons quadrillé le golfe d’Aigues-Mortes à une vitesse de 8 noeuds, en reliant, selon plusieurs parcours (figure 5), les points (que nous appellerons stations) situés sur la figure 2. Déroulement de la première campagne (12-14 février) : - Notre parcours a débuté à l’endroit marqué par le triangle

rouge sur la figure 2 (latitude 43°16.64’, longitude 3°50.08’, profondeur 70m), d’où nous avons largué l’ADCP de fond.

20

20

20 4040

40

60

60

60

80

8080

30' 40' 50' 4oE 10' 43oN

6'

12'

18'

24'

30'

36

transect1

2

3

4

5

6

7

89

a)

- Puis des mesures de courant ont été prises en continu avec l’ADCP de coque et des profils CTD ont été effectués en chaque station le long des trajets 1, 2 et 3( figure 5 a, b, c).

Déroulement de la deuxième campagne (2-3 mars) : Des trajets similaires ont été suivis, avec toujours des arrêts aux stations pour effectuer les profils CTD et la mesure en continu des courants par l’ADCP de coque. Un dysfonctionnement du GPS a malheureusement rendu les onnées mesurées par l’ADCP inexploitables.

20

20

20

4040

40

6060

60

80

80

80

30' 40' 50' 4oE 10'

36

d Déroulement de la troisième campagne(25-27 mars) : - L’ADCP de fond a été récupéré, les données déchargées et

les batteries rechargées. - Les trajets étaient similaires aux trajets 1,2 et 3. - L’ADCP de fond a été remis à l’eau.

43oN

6'

12'

18'

24'

30' b) 8

transect12

3

4 7

5

96

20

20

20

40

40

40

60

60

60

80

80

80

15'

20'

43oN 25.00'

30'

35'

40 50' ' o 10' 4 E

c) 3

2

4

6transect 1

5

Figure 5: Trajets effectués avec le THETYS lors de la campagne HYGAM07-1

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2-2/La modélisation

2-2-1 Les modèles Les processus liés à la dynamique sédimentaire intéressent depuis longtemps la communauté scientifique. Des études visant à comprendre la morphodynamique des plages ont permis de mettre en évidence le rôle de la houle pendant les épisodes de tempête. D’autre part, des études de transports de sédiments par suspension, qui dépendent de la circulation océanique, ont été menées à l’échelle des plateaux continentaux (échelle côtière). A une échelle intermédiaire pré-littorale comme le golfe d’Aigues-Mortes, nous pouvons donc penser que la dynamique sédimentaire est liée à la fois à la houle et aux courants de circulation. Les courants générés localement par les vents, les marées et les gradients de densité et de pression créent des contraintes de cisaillement sur les fonds marins et des transports de matières qui sont susceptibles de soulever et transporter les sédiments. De même la houle, d’une part par réfraction et diffraction, et d’autre part par déferlement et dissipation, est aussi à l’origine de courants qui vont permettre le transport sédimentaire. La compréhension des forçages hydrodynamiques littoraux sur la dynamique sédimentaire dans le GAM passe donc par l’étude couplée de la houle et des courants marins. Dans cette partie, nous présenterons d’abord les modèles de houle et de courant qui sont la base du modèle couplé, puis nous nous intéresserons aux différentes théories régissant le couplage et à la manière dont elles ont été exploitées par Denamiel (2006) lors de la création du modèle SYMPHONIE-SWELL.

2-2-2-1 Le modèle de propagation de houle REF/DIF. Présentation Le modèle choisi pour la modélisation des vagues et de la houle est le modèle REF/DIF développé par le ‘Center of Applied Research’, Delaware, USA ( Kirby et al, 1994). Ce modèle est dit à ‘Résolution de phase’. Il calcule la propagation et la transformation, par réfraction et diffraction, de la houle. Les sorties du modèle donnent sur l’ensemble d’un domaine d’étude: -l’amplitude, la longueur d’onde, la période de houle, -les vitesses orbitales, les vitesses de Stokes, -les tensions de cisaillement crées au fond et en surface. L’action du vent n’est pas prise en compte dans le modèle, la génération de la houle n’est donc pas modélisée, ce qui n’est pas non plus le cas de la réflexion. Le déferlement est simplement représenté par un seuil du rapport entre amplitude et profondeur. Par contre, les autres interactions houle-fond, que sont la diffraction, la réfraction et le shoaling sont bien représentées. Le modèle est par ailleurs non temporel, c'est-à-dire que le résultat de la simulation est un état stationnaire.

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Les équations Le modèle prend en compte les effets non linéaires limités au troisième ordre puisqu’il génère des houles de Stokes du troisième ordre en profondeur finie qui se propagent initialement suivant l’axe des x. La réfraction et la diffraction sur des fonds lentement variable sont données par l’équation de Berkhoff, sous sa forme parabolique, à laquelle on a ajouté les effets non linéaires de la houle de 3ème ordre (Denamiel, 2006)(équation 1). Les effets d’atténuation de la houle dus aux frottements visqueux, à la turbulence et au

déferlement sont donnés dans l’équation par l’ajout du dernier terme A2

ϖ

Équation 1: équation de réfraction - diffraction -dissipation

02

²2²)(

2))((

2)( =+−

∂∂

∂∂

−∂∂

+−+∂∂ AAADk

yACC

yiA

Cx

ACkkixAC g

ggg

ϖσσσ

σ

Avec : - k nombre d’onde de la houle, propagation initiale suivant x

- A= A(x, y) amplitude complexe de la houle - σ pulsation propre de la houle tel que )(² khthgk ⋅=σ - i le nombre imaginaire pur

- ))2(

21(2 khsh

khCCg += la vitesse de groupe

- )(khthkgC = la célérité de la houle

- k la moyenne selon y du nombre d’onde - D l’apport du terme non linéaire - g l’accélération de la pesanteur - h la profondeur d’eau moyenne

- ϖ le rapport de l’énergie dissipée sur l’énergie totale qui s’exprime en s −1 Aspects numériques Le modèle utilise une discrétisation spatiales en différences finies (mailles rectangulaires de taille constante). Il impose d’avoir 5 mailles par longueur d’onde pour bien pouvoir modéliser la houle. Cela implique d’avoir des petites mailles. Nous utiliserons des mailles de 20m sur 20m (modélisation de houle de plus de 100m de longueur d’onde). Par ailleurs, le modèle génère de nombreux artefacts en bord de domaine, surtout si la houle est introduite avec un angle. Il faut donc essayer d’orienter la grille de telle sorte qu’elle soit perpendiculaire à la direction de propagation de la houle. On peut aussi utiliser une grille plus grande que le domaine d’intérêt (voir détails dans Denamiel, 2006).

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2-2-1-2 Le modèle de circulation SYMPHONIE Présentation Le modèle de circulation côtière choisi est le modèle SYMPHONIE développé par le Pôle d’Océanographie Côtière de Toulouse (Estournel et al.,2003). Il résout les équations primitives en domaines côtiers, pré-littoraux et littoraux et prend en compte la bathymétrie, les forçages atmosphériques, la circulation à grande échelle et les apports fluviaux comme conditions aux limites. Il permet de modéliser en 3 dimensions: - les vitesses dues au vent, mais aussi aux variations de pression et de masse volumique qui

sont elles mêmes liées aux variations de température et de salinité au sein du fluide, - l’élévation de la surface libre. Les équations (www.poc.obs-mip.fr) Les composantes du courant (u, v, w) sont données par les trois équations primitives. La pression hydrostatique est donnée par l’équation hydrostatique. L’élévation de la surface libre est déduite de l’équation de continuité. La température et la salinité sont données par les équations d’advection-diffusion

Aspects numériques

Le modèle utilise une discrétisation en différences finies. Nous utiliserons des mailles horizontales de 200m sur 200m. La discrétisation verticale est donnée par défaut en coordonnées sigma généralisées, qui sont bien adaptées quand on veut rendre compte des changements de bathymétrie. Elles peuvent par contre poser un problème lorsqu’il y a très peu de fond ou que les gradients bathymétriques sont trop forts. Il est aussi possible d’utiliser des coordonnées hybrides sigma-z qui permettent d’utiliser une discrétisation en coordonnées sigma en eau profonde et en différences finies lorsqu’il y a peu de fond. Nous utiliserons 10 à 26 niveaux sur la verticale. La discrétisation temporelle se fait selon un schéma leapfrog.

Forçages - Les forçages atmosphériques comportent les flux radiatifs, les flux de chaleur et les

tensions de cisaillement dues au vent. Ils peuvent être supposés constants ou variant selon l’espace et le temps.

- Les forçages par apports fluviaux sont assimilés à des sources positionnées au niveau des

embouchures des fleuves, auxquelles on impose un débit. - Les forçages grande échelle permettent d’initialiser la circulation générale et de générer

les conditions limites de la grille couvrant la zone pré-littorale. Ces forçages sont obtenus en effectuant des imbrications de grilles. Dans notre cas, on souhaite réaliser une simulation avec une résolution horizontale de 200m par 200m. On utilisera donc une première grille englobant le golfe du Lion, inclinée

- 14 -

à 30°, dont la résolution est de 3 km par 3 km qui permettra de générer la circulation océanique à l’échelle régionale, puis une deuxième grille de résolution 1 km par 1 km inclinée a 30° qui rendra compte de la circulation à l’échelle côtière et enfin une grille de 200m par 200m inclinée à 30° qui couvre la zone étudiée (voir figure 6).

Lors de la première simulation sur la grande grille, SYMPHONIE créé des fichiers comprenant des informations sur les transports générés par la circulation générale qui permettront d’initialiser et de forcer les conditions limites de la deuxième grille. Lors de la deuxième simulation, SYMPHONIE créé les fichiers grandes échelles des transports, de l’élévation de la surface, de salinité et de température qui permettront d’initialiser l’hydrodynamique de la zone pré-littorale.

30°

Figure 6 : Les trois domaines imbriqués de simulation

2-2-1-3 Le modèle couplé SYMPHONIE-SWELL L’étude couplée de la houle et des courants nécessite de connaître à la fois les effets de la houle sur les courants et les effets des courants sur la houle. Le travail de Cléa Denamiel (2006) a porté d’avantage sur la modification des courants par les houles, et j’ai pour ma part travaillé uniquement sur ce point là, je parlerai donc uniquement de ces effets dans la suite du chapitre. Effets de la houle sur la circulation : La présence de la houle perturbe la circulation à différents niveaux : - interactions non linéaires entre les courants de circulation et les courants générés par la

houle (courant et dérive de Stokes), - modification de la rugosité de surface, - modification des tensions de fond en eau peu profonde, - modification de l’énergie cinétique turbulente.

- 15 -

L’introduction des effets de la houle sur la circulation a été étudiée par Mellor (2003). Il montre que les vitesses totales des courants résultant de la circulation et de la houle sont régies par les équations primitives auxquelles on ajoute des termes supplémentaires au second membre. Ces termes de forçages peuvent être assimilés à des gradients de tensions de radiations tridimensionnels, qui modélisent les effets qu’ont les vitesses de Stokes sur la circulation moyennée en temps .Cependant, cette théorie ne prend pas en compte certains effets comme la diffusion de la houle par le fond. Pour étudier ces effets, il faut se référer à Ardhuin (2007) qui propose 2 corrections aux théories de Mellor. Par ailleurs, la théorie de Mellor s’applique uniquement aux houles monochromatiques ou linéaires, alors que les corrections proposées par Ardhuin permettent de prendre en compte des houles aléatoires. Ces corrections devront être intégrées dans le futur. Le principe de la modélisation couplée: Techniquement, la modélisation du courant total engendré par les vents, les variations de pression, de masse volumique ET la houle passe par trois étapes: la modélisation de la houle par REF/DIF, le transfert des caractéristiques de houle du modèle REF/DIF au modèle SYMPHONIE et enfin le calcul des courants totaux avec SYMPHONIE-SWELL. - 1ère étape : Le modèle REF/DIF est utilisé dans sa configuration initiale. Une houle est imposée aux limites et le modèle nous donne l’amplitude, la période, la direction de propagation, le nombre d’onde, les vitesses orbitales et de Stokes. -2ème étape : Les grilles utilisées dans les deux modèles n’ont pas forcément les mêmes caractéristiques. Comme nous l’avons vu précédemment, la simulation avec REF/DIF nécessite une grille ayant de petites mailles et qui soit orientée de telle sorte que la propagation de la houle se fasse perpendiculairement à la frontière ouverte au large. Le passage d’un modèle à l’autre nécessite donc la création d’un module qui projette les données de REF/DIF afin d’obtenir des données sur la grille SYMPHONIE. Ce module (REFTOSYM) a été créé par Cléa Denamiel. Ainsi, pour forcer le modèle SYMPHONIE avec les données de REF/DIF, il est nécessaire d’effectuer une projection qui consiste à moyenner les données des x points de grille de REF/DIF les plus proches des points de grille de SYMPHONIE puis à lisser les résultats afin de passer d’une résolution de 20m par 20m à une résolution de 200m par 200m. Cela entraîne forcément une perte d’information sur la forme du champ de houle. -3ème étape : Modélisation des courants en utilisant le modèle SYMPHONIE auquel on a ajouté un module calculant les vitesses totales grâce à la théorie de Mellor. Ce nouveau modèle s’appelle SYMPHONIE-SWELL.

- 16 -

2-2-2 Les simulations numériques Les simulations numériques sont complémentaires des mesures in-situ. Alors que les données in-situ ne sont disponibles qu’en certains endroits et à certains temps, les simulations permettent de visualiser la circulation sur l’ensemble du GAM suivant n’importe quelle coupe et à tout instant. Deux types de simulations sont effectuées: des simulations 'académiques' et des simulations 'forcées'.

2-2-2-1 Simulations académiques Les simulations académiques servent à avoir une idée de la circulation pour des conditions de vent et/ou de houle académiques, c'est-à-dire des conditions de vent et/ou de houle typiques de la région (Tramontane, Mistral, Sud-Est,...). Le vent pourra être constant (même intensité et même direction) pendant toute la durée de la simulation, tourner, forcir progressivement ou brusquement... Ainsi, des conditions de vent constant venant du Nord-Ouest permettront d’avoir une idée de la circulation par Tramontane. En réalité, on sait bien que le vent ne cesse de varier en intensité et direction au fil du temps, et ce dans toute la zone d’étude, néanmoins ce genre de simulation permet d’avoir un aperçu rapide (car la simulation est peu gourmande en calculs) de la circulation. Des simulations académiques ont été réalisées avec SYMPHONIE et SYMPHONIE-SWELL. Pour chaque simulation, nous avons au préalable calculé les forçages grandes échelles, puis imbriqué les grilles. Cela permet d’avoir, dès le début de la simulation, une circulation bien initialisée et suffisamment réaliste. Les résultats sont présentés dans le chapitre suivant.

2-2-2-2 Simulations forcées Les simulations forcées n'ont été réalisées qu'avec SYMPHONIE. Nous appelons simulation forcée une simulation qui est forcée par un vent local, c'est à dire un vent dont les caractéristiques ont été mesurées en un point, puis étendues à tout le domaine d'étude. Une telle simulation permet de se placer dans un scénario réaliste. Idéalement, il faudrait plutôt effectuer des simulations réalistes qui soient forcées par des conditions atmosphériques réalistes. Pour obtenir des forçages de vent et de flux atmosphériques réalistes sur toute la période et la zone de simulation, il faut au préalable avoir recours à des simulations de vent et de flux grâce à d’autres modèles. Ces données peuvent par exemple être issues du modèle ALADIN du laboratoire de Météo-France. Nous avons tenté d'effectuer une simulation réaliste avec SYMPHONIE couvrant toute la période des campagnes (février-mars 2007). Cette simulation n'a à ce jour pas aboutit. Nous avons donc, en attendant, décidé d'effectuer une simulation forcée par le vent local mesuré à Sète pendant les deux mois (figure 7). Cette simulation n'a pas non plus été forcée par des simulations grandes échelles. Les résultats sont présentés dans le chapitre suivant. .

- 17 -

3-RESULTATS ET DISCUSSIONS Nous allons tout d’abord essayer de reconstituer l'histoire et la succession d'évènements météorologiques et hydrodynamiques qui se sont succédés dans le golfe d'Aigues-Mortes depuis le début de la première campagne HYGAM07-1, le 12 février 2007, jusqu'à la fin de la troisième campagne, HYGAM07-3, le 27 mars 2007. Pour cela, nous allons d'abord mettre en rapport les différentes séries temporelles de données mesurées et calculées avec la simulation forcée SYMPHONIE. Ensuite, nous confronterons les résultats de la simulation forcée aux données des campagnes. Pour finir, nous porterons une attention toute particulière à l’épisode de tempête qui s’est produit le 18 février 2007.

3-1 Confrontation des différentes séries temporelles sur toute la période du 12 février au 31 mars 2007

3-1-1 Analyse des données in-situ L'histoire météorologique et courantologique du 12/02/07 au 27/03/07 est une suite de périodes et d'événements dont les principaux sont les suivants (figures 7, 8, 9, 10):

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12/02 16/02 20/02 24/02 28/02 04/03 08/03 12/03 16/03 20/03 24/03 28/03-180

-90

0

90

180wind direction

degr

ees

12/02 16/02 20/02 24/02 28/02 04/03 08/03 12/03 16/03 20/03 24/03 28/030

5

10

15wind intensity

knot

s

12/02 16/02 20/02 24/02 28/02 04/03 08/03 12/03 16/03 20/03 24/03 28/03

direction du vent taille des traits proportionelle à la direction nord vers le haut

Figure 7 a) Intensité du vent en m/s relevée par la station météorologique de Sète (rouge)et de la Grande Motte (bleu) du 12/02 au 28/03 2007 b) Direction du vent en degrés relevée par la station météorologique de Sète (rouge)et de la Grande Motte (bleu) du 12/02 au 28/03 2007 c) Diagramme à bâtons représentant la direction et l’intensité du vent à Sète du 12/02 au 28/03 2007

15 m/s

LEGENDE

Grande-Motte 1 2 3 4 5 6 7 8 a) Sète

m/s

b)

c)

Nord

- 19 -

12/02 16/02 20/02 24/02 28/02 04/03 08/03 12/03 16/03 20/03 24/03 28/030

5he

ight

(m)

significant wave height

12/02 16/02 20/02 24/02 28/02 04/03 08/03 12/03 16/03 20/03 24/03 28/030

5

10

seco

nd

pic period

12/02 16/02 20/02 24/02 28/02 04/03 08/03 12/03 16/03 20/03 24/03 28/030

200

degr

ees

pic direction

6 5 4 3 2 1 7 8 9 LEGENDE

ADCP a)

Bouée

b)

c)

Figure 8 a) Hauteur significative des vagues mesurée par l’ADCP de fond (bleu) et la bouée Datawell (rouge) du 12/02 au 25/03/07 b) Direction de pic mesurée par l’ADCP de fond (bleu) et la bouée Datawell (rouge) du 12/02 au 25/03/07 c) Période de pic mesurée par l’ADCP de fond (bleu) et la bouée Datawell (rouge) du 12/02 au 25/03/07

- 20 -

Figure 9: Vitesse du courant en cm/s sur la colonne d’eau au dessus de l’ADCP. La partie supérieure représente la composante positive à l’est, et la partie inférieure la composante positive au nord.

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Convention courant Convention vent

270° ou -90° Est

315° ou -45°

0° ou 360° Sud

45°

Ouest 90°

135°

Nord 180° ou -180°

225° ou -135°

90°

135° 180°

225°

270°

315°

0°

45°

a) b)

6 5 4 3 2 1 7 8 9

Figure 10 : Rappel des conventions concernant la direction des vagues et vents (a) et des courants (b)

• Période 1 (12 au 16 février) : TRAMONTANE

Le vent à Sète a les mêmes caractéristiques que le vent à la Grande Motte. Son intensité varie avec une période de deux jours. Du 12 au 14 février, elle est d'abord faible (2 m/s), augmente à 10 m/s puis re-diminue à 2 m/s. Le même processus recommence entre le 14 et le 16 février. Au plus fort, il vient du Nord-Ouest (Tramontane). Lorsqu’il baisse, la direction varie assez aléatoirement. Pendant cette période, la hauteur de vagues reste assez faible. Elle ne dépasse pas 1m50 au niveau de l'ADCP, et 1m à la bouée Datawell. On observe néanmoins une légère augmentation de hauteur aux moments où le vent est le plus fort. A ces mêmes moments, la direction de pic au niveau de la bouée Datawell semble se stabiliser à 300 degrés, ce qui correspond à des vagues venant du Nord-Ouest, se propageant donc dans la même direction que le vent. Environ 1 journée après chaque pic de vent, on observe que la période de pic au niveau de la bouée Datawell passe de 5 s à 11 s. On peut donc dire qu'à ces moments là, nous sommes en présence, au niveau de la bouée Datawell, de houle résiduelle de faible amplitude résultant des pics de vent qui la précèdent. Au niveau de l'ADCP, les changements de direction ne sont pas aussi marqués, mais ils coïncident relativement bien avec les changements de direction du vent. La période de pic est constamment de 4 s. Nous pouvons dire que nous sommes en présence de vagues de vent dont la direction reste marquée par la direction du vent. Au niveau du courant, on remarque que juste après les deux pics de vent (vers le 13/02, puis vers le 15/02), il est dirigé vers le Sud-Est, ce qui correspond à la direction vers laquelle vont les vagues et le vent. L’intensité des deux composantes se situe entre 5 et 10 cm/s

• Période 2 (du 16 au 19 février) : TEMPETE EST – SUD-EST Le vent a les mêmes caractéristiques à Sète et à la Grande Motte. Il forcit pendant 1 jour et demi, il atteint 12 m/s, puis il diminue jusqu'à 2 m/s pendant 1 jour et demi. Sa direction varie assez lentement. Dans un premier temps, il vient d’Est-Sud-Est (du 16/02 au 17/02 environ) puis il tourne Nord-Est, direction maintenue jusqu’au 19. Pendant cette période, la hauteur de houle devient très importante. Celle-ci a quasiment les mêmes caractéristiques au niveau de la bouée Datawell et de l'ADCP. Le pic de hauteur de vague est précédé par le changement de direction du vent du Sud-Est vers le Nord-Ouest, ainsi que par l'augmentation de sa vitesse. Il y a un déphasage d'environ une demi journée. La direction de pic des vagues est de 100 degrés environ sur toute la zone, ce qui correspond à des vagues venant d’Est-Sud-Est, soit la même direction que le vent au plus fort. La période de pic augmente en même temps que la hauteur pour atteindre 8-10 s. La hauteur des vagues correspond à une tempête de période de retour annuelle (P.Y. Valentin, SMNLR, comm. pers.) Le courant est très fort (plus de 40 cm/s pour les deux composantes). Dirigé vers le Sud-Est pendant la journée du 15/02, il change brusquement de direction le 16/02, en même temps que

- 22 -

l'augmentation de la vitesse et le changement de direction du vent, pour aller vers le Sud-Ouest. Il atteint sa vitesse maximale le 18/02 vers 0h.

• période 3 (du 19 au 26 février) : CALME ATMOSPHÉRIQUE Pendant cette période, le vent n'est pas fort, et il n'a pas de direction privilégiée. L’amplitude des vagues est très faible. Au niveau de l'ADCP, la direction varie beaucoup, et la période retombe immédiatement à 4 s après l'épisode de tempête précédent. Nous sommes en présence de vagues de vent dont la direction est directement liée à la direction du vent. Au niveau de la bouée Datawell, la direction du pic varie beaucoup moins. Elle passe lentement du Sud-Est vers le Sud-Ouest. La période reste aux environs de 6 s. On peut penser que ces caractéristiques correspondent à celles d'une houle résiduelle. L'intensité du courant diminue immédiatement et il change de direction après l'épisode de tempête. Du Sud-Ouest, il tourne vers le Nord-Ouest, et vers le 23/02, il tourne vers le Nord-Est, tout comme a tourné la houle au niveau de la Datawell.

• période 4 (du 26 au 29 février) : TRAMONTANE Pendant cette période, le vent vient de Nord-Ouest (Tramontane). Il a les mêmes caractéristiques à Sète et à la Grande Motte. Sa vitesse diminue progressivement pour passer de 10 m/s à 6 m/s environ. La hauteur des vagues reste faible (1,5m pour l'ADCP, 1m pour la Datawell) Au niveau de l'ADCP, la direction varie entre Sud et Est, la période reste toujours à 4 s (vagues de vent). Au niveau de la bouée Datawell, la direction varie entre Sud-Ouest et Nord-Ouest, puis passe brusquement à Nord-Est un peu avant le 28/02. Au même moment, la période augmente à 11s, alors qu'elle stagnait à 4-5 s depuis le 25/02. On ne trouve rien dans le vent local qui semble être lié à ce phénomène. Il s’agit donc certainement d’un épisode dépressionnaire sur la mer des Baléares ayant généré une houle de Sud-Ouest qui s’est propagée vers le GAM. Le courant se dirige toujours vers le Nord-Est. L'intensité selon chaque composante (15 m/s) a un peu augmenté (de 5m/s) par rapport à la zone précédente.

• Période 5 (du 28 février au 7 mars) : CALME ET VARIABLE Comme dans la période 3, la direction du vent varie beaucoup. Elle semble avoir une tendance pour le Nord-Ouest, alors qu'en 4 occasions (3, 4, 6, 7/03) elle tourne brusquement vers le Sud-Est puis revient à sa direction d'origine. La force du vent reste assez faible (4 m/s) en général, mais elle augmente brusquement (jusqu'à 10 m/s) aux mêmes moments que les changements de directions.

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Après chaque augmentation brusque de la vitesse du vent, la hauteur des vagues augmente (2m). La hauteur reste néanmoins très faible comparé à la période de tempête (période 2), alors que le vent était tout aussi fort. La direction des vagues, initialement venant du Sud, semble présenter une brusque variation à chaque fois qu'il y a un changement dans la hauteur. Néanmoins, ces changements de direction ne semblent pas suivre de logique simple: vers le 03/03, on observe un pic de Nord-Ouest, alors que vers le 05/03, c’est un pic d’Est. Chaque pic de hauteur s'accompagne également d'une augmentation de la période, qui passe de 4 à 7 s au niveau de la bouée Datawell. Cette augmentation de durée de la période ne se retrouve au niveau de l'ADCP que vers le 05/03, date à laquelle on observe la plus grande hauteur de houle. Le courant reste orienté vers le Nord-Est jusqu'au 05/03, puis brusquement tourne au Sud-Ouest et s'intensifie légèrement. La période après le 05/03 est celle où le vent commence à présenter des changements de direction brusques et plus fréquents.

• Période 6 (du 8 au 11 mars) : TRAMONTANE ET MISTRAL Cette période présente une Tramontane assez forte à Sète (10 m/s), puis du Mistral à partir du 10/03. L’intensité du vent augmente dans la journée du 8/03, re-diminue légèrement jusqu'au 9/03, puis augmente à nouveau jusqu'au 10-11/03. A la Grande Motte, l'intensité du vent varie plus, mais elle a les mêmes tendances. Elle atteint 15 m/s au plus fort. La direction reste quasiment la même qu'à Sète. Au niveau de l'ADCP, on observe un pic de hauteur à 2m après le 10/03, au moment où le vent s'intensifie beaucoup. La direction du pic, qui oscille entre Sud et Est avant le 10/03, change brusquement de direction le 10/03, date à laquelle elle passe de Sud-Est au Sud-Ouest, revient vers l'Est puis se stabilise de nouveau vers le Sud âpres le 11/03. Au niveau de la bouée, on observe le même pic de hauteur, bien qu'un peu moins important. Avant le 10/03 le pic allait vers le Nord-Ouest (contre Sud-Est à l'ADCP), mais tourne également brusquement vers le Nord puis vers l'Est (en passant par le Sud) le 10/03, avant de retourner vers le Sud. Aux deux endroits, la période de pic reste faible (vagues de vent), à part une augmentation à 6 s au moment du pic de hauteur. Les courants passent doucement d'une direction de Sud-Ouest à une direction de Nord-Ouest, pour atteindre le Nord-Est en fin de période.

• Période 7 (du 11 au 17 mars) : VENT VARIABLE Nous entrons à nouveau dans une période où le vent varie beaucoup. Son intensité reste assez constante, entre 0 et 5 m/s. Sa direction varie beaucoup, elle ne semble pas avoir de tendances particulières. La hauteur de vague reste faible pendant toute la période (0-1m). Jusqu'au 14, la direction de pic reste assez constante (Est-Sud-Est). La période diminue régulièrement de 14 s à 5 s jusqu'au 14/03 au niveau de la bouée Datawell, et présente des pics importants jusqu'à 10 s au niveau de l'ADCP.

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Pendant cette période, on peut penser que le GAM est soumis à une houle résiduelle crée par les vents importants des 9-10-11/03. Après le 14/03, on observe d'assez brusques changements de direction au niveau de l'ADCP, et des pics de périodes jusqu'à 8-10 s, ce qui laisse penser que le GAM est traversé par une houle crée plus au large, là ou le vent doit être plus fort. Le courant, qui va vers le Nord-Est depuis la fin de la période précédente, tourne vers le Sud-Ouest au bout de 2 jours après le début de ce nouveau régime de vent.

• Période 8 (du 16 au 25 mars) : TRAMONTANE A partir du 16/03, la Tramontane est de retour pour une longue période. L'intensité est assez élevée, elle monte jusqu'à 10 m/s. Les vagues sont un peu plus hautes, elles varient entre 1,5 et 2m de hauteur significative. La direction de pic varie entre le Sud-Est et le Sud, et la période entre 4 s et 5 s (vagues de vent). Le courant reste en direction du Sud-Ouest pendant 2 jours environ, puis tourne en direction du Nord-Est.

• Conclusions Au niveau des vagues: - La hauteur de la houle dépend de la force du vent. Pour avoir une houle importante, la

force du vent doit être élevée. D’après nos observations, un vent d’au moins 10m/s est nécessaire pour que la hauteur de houle augmente.

- Il semblerait par ailleurs qu’une houle assez importante se propageant dans la même direction que le vent tendrait à grossir beaucoup plus si le vent venait à tourner pour se diriger dans le sens contraire. On pourrait parler de shoaling (augmentation de la hauteur et diminution de la longueur d’onde) dû au changement de direction du vent.

Au niveau des courants : - Quand la direction du vent n'est pas vraiment marquée, le courant a tendance à se diriger

vers le Sud-Ouest. - Si le vent est fort, le courant sera fort, ce qui montre une corrélation directe. - Les directions des vagues et des courants sont également fortement corrélés, ce qui pose la

question de la génération de courants par la houle. - Comme les deux composantes du courant sont souvent très proches, on peut dire que la

plupart du temps, le courant est soit orienté Nord-Est ou Sud-Ouest, mais rarement dans une autre direction. Ceci correspond à une direction longshore, parallèle à l’isobathe 70m.

- 25 -

3-1-2 Simulation SYMPHONIE «forcée» par les vents observés du 12/02 au 31/03. La série temporelle de vent mesuré à la station météorologique de Sète (figure 7) permet de réaliser une simulation ‘forcée’ des courants pendant toute la période des campagnes (11/02 au 28/03) avec SYMPHONIE. Au niveau de l’ADCP de fond, nous retrouvons les mêmes tendances de courant avec la modélisation qu’avec la mesure (figure11). Néanmoins, les variations de direction semblent toujours se produire légèrement plus tôt d’après les calculs qu’en réalité, à part pendant l’épisode de tempête. Ainsi se succèdent : - jusque vers le 16/02 des courants assez variables, - des courants vers le Sud-Ouest pendant la tempête, - des courants dirigé vers le Nord-Est entre le 20/02 et le 3-4 /03, - des courants dirigés vers le Sud-Ouest entre le 04/03 et le 09/03, - des courants dirigés vers le Nord-Est entre le 09/03 et le 19/03, - des courants dirigés vers le Sud-Ouest à partir du 19/03. On remarque tout de même que, même si les variations de direction sont bien représentées, les intensités des courants, elles, sont très fortement sous-estimées par le modèle, surtout pendant la période de tempête où chaque composante dépasse 40cm/s d'après la mesure et atteint à peine 10cm/s d'après SYMPHONIE. Cette différence d’intensité entre la mesure et le calcul est la preuve qu’une simulation numérique qui : - ne prend en compte que l’effet du vent local sur les courants, - ne prend pas en compte les forçages « grande échelle », - ne prend pas en compte les forçages par la houle, n’est pas suffisante pour bien représenter l’hydrodynamique à l’échelle pré-littorale.

Figure 11 : Profil des courants calculés avec SYMPHONIE au niveau de l’ADCP de fond . Simulation forcée par le vent local.

- 26 -

Il serait donc intéressant de confronter les résultats de la simulation forcée avec les mesures effectuées pendant les campagnes HYGAM07, afin de définir dans quelles mesures la simulation avec SYMPHONIE permet de bien représenter la circulation.

3-2 Hydrodynamique du GAM pendant les campagnes

Dans cette partie nous allons confronter les résultats de la simulation SYMPHONIE ‘forcée’ avec les données de courants mesurées par le Téthys lors de la première et de la dernière campagne de mesure HYGAM07. Comme nous l’avons déjà mentionné plus haut, les données de la deuxième campagne sont inexploitables à cause d’un dysfonctionnement du GPS à cette même époque.

Nous comparerons systématiquement les courants à 12m de profondeur, premièrement parce que les courants de surfaces sont trop dépendants du vent, et deuxièmement car nous ne disposons par de mesures d'ADCP à la surface.

3-2-1 HYGAM07-1 : du 12/02 au 14/02

12/02 10h 13/02 8h 13/02 22h 14/02 7h

Vent à Sète pendant la campagne HYGAM07-1

Nord 12m/s

Figure 12: vent à Sète pendant la première campagne

Pendant la première campagne, la vitesse du vent n'excède pas 10m/s. Avant la campagne, les vents venaient plutôt du Nord-Est. La direction a changé juste au début de la campagne(figure12). Les 2 premiers parcours de la campagne se sont déroulés entre le 12 février à 10h et le 13 février à 22h. Pendant cette période, le vent venait du Nord-Ouest. 3-2-1-1 Données in situ : Sur toutes les figures qui suivront, les lignes bathymétriques sont représentées tous les 20m. Les vitesses modélisées sont données en m/s.

20

20

20

20

40

40

40

40

60

60

60

60

80

80

80

80

24' 36' 48' 4oE 12'

43oN

10'

20'

30'

30cm/s

1

23

ADCPde fond

20

20

20

20

40

40

40

40

60

60

60

60

80

80

80

80

24' 36' 48' 4oE 12'

43oN

10'

20'

30'

30cm/s

4

5

b) a) 30cm/s 30cm/s

4

. Figure 13 : Courants à 12m mesurés lors des parcours 1 (a) et 2 (b) de la campagne HYGAM07-1. Le bateau a suivi le parcours comme le montrent les flèches.

- 27 -

Lors du parcours 1 (figure 13 a), on distingue deux types de courants bien précis : - Entre les points 1 et 2, les courants sont dirigés vers Sud-Est. Leur intensité est comprise

entre 10 et 20 cm/s, - Entre les points 3 et 4, ils tendent à être parallèles aux lignes bathymétriques, et orientés

vers le Nord-Est. Les courants sont plus fort à l’Est, où ils atteignent 25 cm/s environ, qu’à l’Ouest où ils restent plus modérés (5cm/s).

Les autres parties du parcours présentent des courants assez aléatoires, d’intensité et direction variables. Lors du parcours 2 (figure 13 b), les courants sont systématiquement parallèles aux lignes bathymétriques, et orientés vers l’Est pour des profondeurs de moins de 70m. Il atteignent des vitesses de 35-40 cm/s à l’Est, et restent toujours beaucoup plus faible à l’Ouest. De ces observations, on peut penser que : - dans une région qui reste assez proche des côtes, jusqu’à l’isobathe 70m environ, le

courant est parallèle aux isobathes, et il va vers l’Est du GAM. Le courant a tendance à être assez fort vers l’Est du GAM,

- lorsque le vent s’intensifie (lors du deuxième parcours), le courant parallèle à la côte s’amplifie de même,

- il faut attendre un certain temps après le changement dans la direction du vent pour que les courants s’orientent vraiment parallèlement aux côtes (lors du parcours 1, entre les points 3 et 4, ces courants ne sont pas encore tout à fait stabilisés),

- plus loin des côtes, au niveau du plateau continental, le courant va vers le Sud-Est. Les courants mesurés par l’ADCP de fond (partie 3-1-1) pendant les épisodes de Tramontane confirment ces schémas. Ils sont dirigés en majorité vers le Nord-Est. Or, l’ADCP est situé au niveau de l’isobathe 70m qui est justement dirigée vers le Nord-Est, il mesure donc bien des courants parallèles aux isobathes. Par ailleurs nous avions également remarqué qu’il fallait attendre un certain temps avant qu’un régime stationnaire s’installe après un changement de direction du vent (notamment durant la période 8). 3-2-1-2 Simulation ‘forcée’ Au début de la campagne (figure 14 a), la circulation décrite plus haut n’est pas encore établie. Une circulation parallèle à la côte commence à s’établir à partir du 13 février (figure 14 b), et s’intensifie progressivement au fil du temps. A 12h, elle atteint des vitesses de 6cm/s. En fin de journée (figure 14 d), des courants en direction du Sud-Est se mettent en place au large. A ce moment, la simulation reproduit exactement le schéma exposé plus haut. Les courants sont parallèles aux lignes bathymétriques près des côtes, et orientés vers le Sud-Est au large. Au niveau de l’ADCP, les courants mesurés sont également orientés parallèlement aux isobathes, et ils avoisinent 2-3cm/s. Cette valeur est légèrement inférieure à celle mesurée par l’ADCP de coque.

- 28 -

a) b)

d) c)

Figure14 : Snapshots de la simulation SYMPHONIE ‘forcée’ le 12/02 à 12h (a), le 13/02 à 12h (b), le 13/02 à 12h (c) et le 14/02 à 0h (d) Cette simulation confirme relativement bien nos idées de départ dans la mesure où nous retrouvons une circulation identique et où nous remarquons encore une fois qu’il faut un certain moment à la circulation pour s’établir après le changement de la direction du vent. Néanmoins, l’intensité des courants semble être sous-estimée et la période de transition nécessaire à la stabilisation de la circulation est plus importante qu’en réalité (les mesures indiquent que la circulation était déjà bien établie le 13 au matin). Il est possible que la circulation modélisée « réagisse moins vite » aux changements de vent qu'en réalité, ce qui expliquerait la période de transition importante et l’intensité faible des courants qui n’ont pas eu le temps de se développer. La paramétrisation des tensions de cisaillement dues au vent pourrait sans doute être revue. Conclusions : En considérant les mesures in-situ et les résultats de la simulation ‘forcée’, nous pouvons conclure que, par épisode de Tramontane: - entre la côte et jusqu’à 70m de fond, on peut trouver des courants parallèles aux

isobathes, et orientés vers l’Est, - les courants sont fortement accélérés dans la partie Est du GAM, - au large, ils sont dirigés vers le Sud-Est, - il existe une période de transition entre le moment où le vent tourne et le moment où la

circulation se stabilise.

- 29 -

3-2-2 HYGAM07-3 : du 25/03 au 27/03

24/03 25/03 26/03 27/03 28/03 29/03

0

0

0

0

0

0

Vent à Sète pendant la campagne HYGAM07-3

10 m/s

Nord

La troisième campagne s’est déroulée juste après une longue période de forte Tramontane. Les conditions de vent qui suivirent étaient très variables: la direction changeait environ toutes les demi-journées. L’intensité quant à elle restait assez stable, n’excédant pas 3-4 m/s (figure 15).

9h 2h 0h 15h

Figure 15 : Vent à Sète pendant la campagne HYGAM07-3 3-2-2-1 Données in-situ :

20

20

20

20

40

40

40

40

60

60

60

60

80

80

80

80

Carte des courants HYGAM07-3 25 mars 2007 Bin: 2

24' 36' 48' 4oE 12'

43oN

10'

20'

30'

30cm/s

20

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40

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80

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80

80

Carte des courants HYGAM07-3 26 mars 2007 Bin: 2

24' 36' 48' 4oE 12'

43oN

10'

20'

30'

30cm/s

b) a) Palavas 30cm/s

20

20

20

20

40

40

40

40

60

60

60

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80

80

80

80

Carte des courants HYGAM07-3 27 mars 2007 Bin: 2

24' 36' 48' 4oE 12'

43oN

10'

20'

30'

30cm/s

Figure 16 : Courants mesurés à 12m lors des parcours 1(a), 2(b) et 3(c) de la campagne HYGAM07-3

c)

30cm/s

Agde

Palavas

30cm/s

- 30 -

Pendant le premier parcours (figure 16a): - Entre la côte et l’isobathe 40m, le courant longe la côte en direction de l’Est. - Au large, au delà de l’isobathe 80m, le courant est très clairement orienté vers l’Ouest. - A l’Ouest du GAM, les courants semblent tourner. Au large ils sont dirigés vers l’Ouest et

près des côtes vers l’Est. Entre les deux, il tourne progressivement en passant par le Sud. - A l’Est du GAM, le courant tourne dans le sens contraire. Orientés vers l’Est près des

côtes, il tourne progressivement vers le Nord puis vers l’Ouest au large. Pendant le deuxième parcours (figure 16b): - Le courant semble toujours dirigé vers l’Ouest, orienté parallèlement aux isobathes, au

large du GAM. - On observe deux boucles de circulation : une près du Cap D’Agde, et l’autre plus au large,

vers le centre du GAM. Les courants tournent dans le sens horaire. - Au large de Palavas-les Flots, des courants assez fort remontent vers le Nord. Pendant le troisième parcours (figure 16c) : - A l’Ouest du GAM, on retrouve les courants orientés vers l’Ouest au large qui tournent

dans le sens horaire, pour se retrouver dirigés vers l’Est près des côtes. - Au large de Palavas, on retrouve les courants remontant vers le Nord, qui tournent ensuite

dans le sens inverse au sens horaire et créent encore une boucle de circulation. Même si nous ne disposons pas de données sur toute la zone, on peut penser à partir de ces observations que : - Au moment où la Tramontane a arrêté de souffler, les courants forts longeant la côte qui

avaient été créés (voir les conclusions du paragraphe précédent) continuent à circuler vers l’Est, et la masse d’eau revient vers l’Ouest par le large.

- Au fil du temps, le courant parallèle à la côte diminue, et plusieurs boucles de circulations se forment. On peut penser que des courants venant du large se séparent en deux au niveau de l’isobathe 80 m au large de Palavas ; une partie continue vers le Nord, l’autre vers l’Ouest. Les courants allant vers le Nord tournent vers l’Ouest une fois arrivé près de la côte. Une partie des courants allant vers l’Ouest tourne vers le centre du GAM vers le Nord et rencontre les courants redescendant de Palavas, alors que l’autre partie continue jusqu’à l’Ouest du GAM, où elle aussi tourne vers le Nord (figure 16c).

3-2-2-2 Simulation forcée: En étudiant la circulation le 25 à 12h (figure 17a) on reconnaît la circulation typique par Tramontane qui réside encore. Les courants sont forts et parallèles aux isobathes près des côtes et orientés vers le Sud au large. Au centre du GAM se forment déjà quelques boucles de circulation. Au fil du temps, la circulation intense vers l’Est près des côtes faiblit, et on observe un important courant de retour vers l’Ouest plus au large (figure 17b). On observe la même boucle de courants tournants dans le sens horaire au large de Palavas. Par contre, on ne retrouve pas les courants orientés vers le Nord qui remontent vers Palavas.

- 31 -

Le 27 à 12h, des courants venant du Sud-Ouest du GAM remontent vers le Nord-Est (figure 17 c). Au niveau de l’isobathe 80m, ils s’orientent parallèlement aux isobathes. Ces courants redescendent vers le Sud-Est à l’Est du GAM, ils sont toujours parallèles aux isobathes.

b) a)

c) Figure 17: Snapshots de la simulation ‘forcée’ SYMPHONIE le 25/03 à 12h (a), le 26/03 à 12h (b), le 27/03 à 12h (c).

La circulation modélisée pour cette période semble encore assez bien refléter la réalité. Sur les figures 17 a et b, on retrouve les grandes tendances : une circulation circulaire englobant tout le GAM, et des petites boucles au centre. Les vitesses restent néanmoins sous-estimées : La mesure donnait des intensités avoisinant les 30cm/s, alors que la modélisation atteint à peine 10cm/s. Par ailleurs, la mesure n’avait donné aucun courant orienté vers le Nord-Est en provenance du Sud-Ouest, comme le montre la figure 17c. Le 27 vers la fin de la campagne (vers 15h), les courants mesurés étaient encore largement orientés vers l’Ouest au large, alors que le même jour à midi le modèle simule déjà une remontée des courants vers le Nord. Les courants modélisés étant plus faibles qu’en réalité, on peut comprendre que la circulation puisse évoluer plus vite, car l’inertie est bien moins importante. Conclusions : Après un fort épisode de Tramontane, la circulation présente encore pendant un certain temps les caractéristiques d’une circulation par Tramontane. Cela valide encore une fois notre

- 32 -

hypothèse selon laquelle il existe un temps de transition entre changement de régime de vent et changement dans la circulation. Un vent faible et tournant succédant à une période marquée par un régime de vent très net engendre a priori des circulations circulaires

3-3 Hydrodynamique du GAM pendant la tempête de Sud-Est du 18/02 Le vent a soufflé relativement fort du Sud-Est pendant la

portante P.

, car

-3-1 Simulation forcée des courants générés par vent de Sud-Est

Figure 21 : Snapshot a circulation forcée

15/02 12h 16/02 12h 17/02 12h 18/02 12h 19/02 12h

vent à Sète pendant la tempête

ure 18 :Vent à Sète pendant la période de temFig pête

Nord 12m/s

journée du 16/02. Il a atteint 12m/s au début de la journée du 17/02, puis a ensuite changé de direction, et a soufflé, en diminuant progressivement en intensité, duNord-Est jusqu'au 18/02 (figure 18).

e vent du Sud-Est a généré une houle imL(Hs=5m) du Sud-Est (figure 19) au niveau de l'ADCLes courants ont eux atteint une vitesse maximale d’environ 60 cm/s (figure 20)

ous n’avons pas de mesures d’ADCP de coque pour Ncette période, qui se situe hors des campagnes HYGAM. Elle reste néanmoins une période très intéressante à étudierpour la première fois, nous connaissons l'ordre de grandeur de l'intensité des courants qui peuvent être générés par des épisodes de forts vents de Sud-Est et de houle importante.

Figure 19 : Hs au niveau de l’ADCP pendant la tempête

Figure 20 : Courants au niveau de l’ADCP pendant

la tempête

3

de lSYMPHONIE de 18/02 à 12h à 12m

- 33 -

Comme cela a été fait pour les périodes de campagnes HYGAM, on commence ici par

rès des côtes, pour des profondeurs inférieures à 40m, les courants sont accélérés, et s, et

tensité

n ce qui concerne la direction, il semble qu’à 12m le modèle reproduise la direction 11 et 9,

n voit donc que pour la direction, mais encore plus pour l’intensité, les courants simulés par

t être sous-estimé au niveau de la

- e dans un domaine plus grand sur lequel pourrait se

-

ous avons donc voulu estimer les courants générés uniquement par les vents lors d'épisodes

3-3-2 Simulations académiques

3-3-2-1 simulation académique des courants générés par vent de Sud-Est

ous commençons par modéliser la circulation induite par le vent et les gradients de pression

r ient du Sud-Est. La simulation dure 48h et est

Les courants longent la côte d’Est en Ouest. Plus ils sont proches des côtes, plus ils sont

rants est de l’ordre de 20cm/s.

t fort, une

analyser les résultats de la simulation forcée par le vent local mesuré à Sète. Patteignent par endroits des vitesses de 20 cm/s (figure 21). Au large, ils sont très faibleatteignent environ 5 cm/s au niveau de l’ADCP de fond (point rouge sur la figure 21). Or, au niveau de l’ADCP de fond, de forts courants de Sud-Ouest qui ont atteint une inmaximale supérieure à 60 cm/s sur toute la colonne d’eau ont été mesurés le 18/02 (figure 9). L’intensité des courants est donc très mal représentée par la simulation forcée. Emesurée, les courants vont bien vers le Sud-Ouest. Néanmoins, en étudiant les figures nous voyons qu’en surface le modèle simule un courant allant vers le Nord-Ouest (donc dans la même direction que le vent), alors que la mesure elle donne toujours un courant de Sud-Ouest. La direction semble donc être assez bien modélisée mais seulement en profondeur. OSYMPHONIE sont très mal reproduits pendant cette épisode de tempête. Différentes causes de dysfonctionnement sont possibles. On rappelle que : - Le modèle est forcé par un vent uniforme qui est peu

station météorologique de Sète. La simulation n’est pas imbriquédévelopper des circulations induites par le vent à l’échelle de l’ensemble du plateau. Enfin, les efforts de la houle ne sont pas pris en compte.

Nintenses de Sud-Est, puis les courants générés uniquement par la houle, lorsque celle-ci est importante, et enfin les courants générés par la houle et le vent. Les différents résultats pourront être comparés aux valeurs mesurées. Pour cela nous avons effectué diverses simulations académiques.

Les figures se trouvent toutes pp.37

Net densité avec SYMPHONIE (figure 22). Le vent est constant et égal à 15m/s. Il p ovforcée par une circulation grande échelle, induite elle aussi par des vents de Sud-Est de 15m/s. Le vent est donc légèrement plus important qu’en réalité, et il souffle sur la zone pendant une période plus longue. La circulation est donc bien initialisée et contrôlée aux limites ouvertes.

accélérés, notamment au large de la pointe de l’Espiguette et de Sète. Au Sud-Ouest de la zone étudiée, les courants sont quasi-nuls. Au niveau de l’ADCP de fond (point rouge), l’intensité des couCette valeur est bien supérieure à la valeur calculée lors de la simulation forcée. On peut donc penser que lorsqu’on veut simuler la circulation par épisodes de ven

- 34 -

technique pour approcher la réalité est d’effectuer une simulation avec un vent plus fort soufflant pendant une plus longue période. Cette technique a été notamment utilisée pourmodéliser la propagation de la nappe de pétrole lors du naufrage du Prestige.

Or les mesures lors de la tempête montrent que les courants au niveau de l’ADCP atteignent

Pour cette raison, la technique évoquée plus haut qui consiste à effectuer des modélisations

3-3-2-2 Simulation académique des courants générés par une houle importante

ans un deuxième temps, nous modélisons les courants créés par la houle suivant la théorie

odélisons tout d'abord la houle grâce à REF/DIF, puis nous utilisons les

odélisation de la houle par REF/DIF

ous imposons une houle d’amplitude 2 m venant du Sud-Est le long de la frontière ouverte.

fin de faciliter la comparaison entre les résultats de SYMPHONIE et de REF/DIF, nous

’amplitude de la houle est donc de 2 m au niveau de la frontière extérieure (figure 23). Elle

des valeurs bien supérieures : plus du double ! La vent n’est donc pas le seul responsable des courants importants en période de tempête, et il ne suffit pas, pour bien modéliser la circulation, d’imposer uniquement le vent comme forçage.

avec un vent plus élevé qu’en réalité est contestée. On peut citer notamment Ardhuin (2005)qui ne voit en cette technique qu’une manière de contourner le problème. Il écrit : «Certains modélisateurs pressés, lors du naufrage du pétrolier Prestige-Nassau au large de l’Espagne en2002, n’ont pas trouvé d’autre solution que de multiplier par trois la tension du vent dans leur modèle de circulation océanique afin d’arriver à une dérive correcte à court terme.».

de Sud-Est Dde Mellor (2003). Pour cela, nous mdonnées calculées pour forcer le modèle SYMPHONIE-SWELL, que nous utilisons avec un vent nul. M NLa grille REF/DIF est orientée de telle sorte que la houle arrive perpendiculairement à la frontière ouverte. Areprésentons les résultats dans la grille de SYMPHONIE, les données ont donc au préalable été projetées dans cette grille. Ldiminue très peu jusqu’à l’isobathe 60m. Au-delà elle commence à être réfractée, on voit des franges de réfraction. L’amplitude diminue vraiment dans des fonds de moins de 20m. La houle s’atténue quasiment complètement au fond du golfe, vers Port-Camargue. Aux frontières, à l’Est et à l’Ouest, il y a beaucoup de petites franges assez marquées dont la présence est expliquée par la difficulté qu’a REF/DIF d’effectuer les calculs près des bords. Même si la houle entre perpendiculairement au domaine, les conditions aux frontières sont faussées.

- 35 -

Modélisation des courants par SYMPHONIE-S, le vent étant nul :

a simulation n’a pas été forcée par une circulation grande échelle, car nous avons manqué de

u départ, les courants sont générés uniquement par la houle : se sont les courants de Stokes

u fil du temps s’installe en plus une circulation engendrée par les gradients de tensions de

au large (les vitesses de Stokes y sont faibles).

ls

la vue de cette simulation, on peut dire qu’en période de tempête avec une forte houle, les

e vent ET

3-3-2-3 Simulation académique des courants générés par les vents et la houle

a circulation générée par un vent de Sud-Est de 15m/s et une houle de 2m d’amplitude rcée

s vitesses

es conditions limites au large ne sont sans doute pas optimales, et il serait primordial de re-

es dernières simulations montrent que le couplage des effets de la houle et du vent avec

ns

Ltemps. Elle débute ainsi avec une circulation nulle. Les résultats aux limites doivent donc être étudiés encore plus vigilamment qu’auparavant. A(figure 24). Ces courants sont quasi-nuls au large, mais augmentent près des côtes, à partir de l’isobathe 12-13m environ. Aradiations tridimmentionnels (figure 25). Les courants semblent assez ordonnés Néanmoins, les boucles de circulation qui sont générées pourraient ne pas refléter la réalité. En se rapprochant de la côte, les courants varient énormément en intensité et en direction. Isemblent totalement désordonnés. Ces courants peuvent atteindre des vitesses allant jusqu’à 35cm/s, ce qui est du même ordre de grandeur que les courants induits uniquement par le vent. Aeffets de la houle sur la circulation sont tout aussi importants que les effets du vent. Toutefois, une troisième simulation par SYMPHONIE-SWELL prenant en compte lla houle est nécessaire afin de déterminer si ces deux forçages sont suffisants pour reproduire la circulation par épisodes de tempête, ou si d’autres interactions ou forçages rentrent en compte.

Lvenant du Sud-Est le long de la frontière ouverte ressemble grandement à la circulation founiquement par la houle en ce qui concerne la direction des courants (figure 26). Les vitesses maximales atteignent jusqu’à 55cm/s près des côtes, mais au large, lesont égales aux vitesses calculées par SYMPHONIE lors des simulations sans houle. Llancer ces simulations avec des forçages grandes-échelles. CSYMPHONIE-SWELL n’est pas encore convainquant. Cela peut être dû à une mauvaise façon de procéder pendant le stage. Cela peut aussi être dû à des problèmes numériques dal’implémentation récente réalisée par Denamiel (2006). Plus fondamentalement, cela peut êtredû à des failles relevées par Ardhuin et al (2007) dans la théorie de Mellor (2003)

- 36 -

Figure 22 : Circulation stationnaire dans le GAM pour un vent constant de 15m/s, provenant du Sud-Est. Modélisation avec SYMPHONIE.

Figure 23 : Amplitude de la houle calculée par

REF/DIF pour une houle incidente de 4m venant duSud-Est.

Figure 24 : Courants de stokes générés par la houle

Figure 25 : Circulation quasi-stationnaire à 12m dans le GAM pour un vent nul et une houle de 2m d’amplitude venant du Sud-Est.

Figure 26 : Circulation quasi-stationnaire à 12m dans le GAM pour un vent de Sud-Est de 15m/s et une houle de Sud-Est de 2m d’amplitude.

- 37 -

4-APPLICATION A LA DISPERSION DE CONTAMINANTS

3-1 contexte Les eaux usées de l’agglomération de Montpellier sont rejetées depuis 2005 à 10km au Sud de Palavas-les-Flots, à une profondeur de 30m. Même si des études ont été réalisées avant la construction du pipeline de rejet, il reste intéressant de modéliser la propagation de ces eaux une fois rejetées en mer. Dans le cadre du projet MICROGAM, la dispersion des polluants et bactéries dans le Golfe sera étudié avec précision. La connaissance de l’hydrodynamique grâce au modèle SYMPHONIE-SWELL va permettre de visualiser les dispersions des polluants suivant différents scénarios de vent. En associant SYMPHONIE-SWELL à un modèle biologique d’évolution dans le temps des espèces bactériennes, il sera possible à long terme de prévoir avec assez de précision les contaminations possibles en fonction des conditions météorologiques. Afin d’avoir une première idée de la façon dont se propagent les polluants dans le GAM, nous avons commencé à effectuer quelques simulations de dispersion des eaux rejetées, pour des cas de vent simple. Le ‘polluant’ dont la propagation est étudiée est une espèce neutre, qui ne présente pas de réactions chimiques, qui ne disparaît pas ni ne prolifère avec le temps. On parle de traceur passif.

3-2 Notion de concentration et d’âge du contaminant Il existe deux notions importantes lorsqu’on veut étudier la propagation d’un contaminant: la concentration et l’âge. L’âge d’une particule correspond à la durée depuis laquelle la particule est partie de la région où son âge est prescrit à 0 s. Dans le cas de notre étude, nous imposons aux particules l’âge 0 au moment où elles sortent du pipe et sont rejetées dans le mer. Avec la concentration on pourra savoir en quels endroits et en quelles quantités on peut trouver du contaminant. En connaissant l’âge des bactéries qui ont été rejetées dans le GAM puis se sont dispersées, il sera possible, grâce à des modèles biologiques, d’estimer leur évolution (disparition de la bactérie, prolifération, la bactérie devient inerte…). L’équation gouvernant l’évolution de la concentration est une simple équation d’advection-diffusion : Équation 2

2

2

2

2

2

2

)(zCK

yC

xCK

zCw

yCv

xCudp

tC

ZH ∂∂

+∂∂

+∂∂

+∂∂

−∂∂

−∂∂

−−=∂

∂

- 38 -

Avec : - C la concentration - u, v et w les vitesses - KH le coefficient de diffusion horizontale - Kz le coefficient de diffusion numérique - p le terme de production et d le terme de dissipation. Dans notre cas, la polluant est neutre, il n’y a donc pas de termes de production ni de dissipation. Pour calculer l’âge, il faut d’abord calculer la ‘concentration d’age’ α , dont l’équation est encore basée sur l’équation d’advection-diffusion, avec cette fois un terme supplémentaire C. Les termes de production et de diffusion ne sont plus représentés. Équation 3

2

2

2

2

2

2

)(z

Kyx

Kz

wy

vx

uCt ZH ∂

∂+

∂∂

+∂∂

+∂∂

−∂∂

−∂∂

−=∂

∂ ααααααα

Avec : - α la ‘concentration d’age’ (age concentration en anglais) - C la concentration. L’age moyen a est ensuite obtenu par la relation : Équation 4

Ca α

= Plus de détails peuvent se trouver dans Dellersnijder et al (2006).

3-3 La simulation numérique La concentration est homogène à une masse sur un volume (M/V). Nous effectuons nos simulations en donnant une valeur arbitraire à la source de concentration en sortie de pipe : TC0=10-2 (M/V)/s, car nous ne connaissons pas encore les vraies valeurs. Il sera toutefois aisé de retrouver les vraies valeurs car l’équation d’advection-diffusion de la concentration est linéaire (on peut effectuer des sommes et des combinaisons linéaires de solutions), et si TCv0 est la vraie source de concentration en sortie de pipe, on a donc : Équation 5

0TCTC=

z,t)y,C(x,z,t)y,(x,C v0v avec C(x,y,z,t) la concentration arbitraire et Cv(x,y,z,t) la vraie

concentration. Les simulations ont été réalisées sur des périodes de 48h. Le contaminant commence à se propager à l’heure 0. A ce moment là, la circulation dans le GAM est déjà bien établie. Le pipeline est posé au fond, mais comme l’eau qui sort est douce (elle va donc remonter), nous

- 39 -

imposons au modèle un rejet s’effectuant sur toute la colonne d’eau. Cela pourra être amélioré dans le futur. Nous allons nous intéresser particulièrement à la dispersion et à l’âge moyen des polluants par épisodes de tempêtes, épisodes pendant lesquels les courants sont forts, et donc particulièrement enclins à transporter des particules. Comme nous avons étudié au préalable la circulation par tempête de Sud-Est, nous allons également étudier la dispersion et l’âge moyen des polluants dans les mêmes conditions académiques de vent et de houle. Tout comme dans le chapitre précédent, nous comparerons la dispersion induite uniquement par le vent puis par la houle. La dispersion et l’âge seront représentés en surface.

3-4 Les résultats Dispersion et âge moyen induits par le vent Le vent vient du Sud-Est, son intensité est de 15m/s. Les contaminants se dispersent vers l’Ouest, ils longent la côte (figure 27). La concentration est faible au niveau de Sète, par contre au niveau du Cap d’Agde elle peut ne pas être négligeable, si la concentration à l’origine est importante. Cependant, la nappe d’eau polluée a 15 jours au niveau de Sète et environ 40 jours au niveau du Cap d’Agde (figure 28). En supposant que les espèces contaminantes soient des espèces biologiques disparaissant avec le temps, une moindre concentration à Sète peut s’avérer plus dangereuse qu’une forte concentration au Cap d’Agde. Dispersion et âge moyen induits par la houle Une houle de 2m d’amplitude est imposée le long de la frontière ouverte. Les contaminants se propagent plutôt vers le large que vers la côte (figure 29). La dispersion en surface est directement induite par les courants qui formaient des boucles de circulation. Les contaminants atteignent le Cap d’Agde, Sète et Palavas. Si la simulation avait été plus longue, ils auraient sûrement atteint le fond du golfe et Port Camargue. En étudiant l’âge (figure 30), nous voyons que l’eau la plus âgée se retrouve aux extrémités ne la nappe. En arrivant à Sète, les contaminants ont été rejetés depuis déjà 40 jours. Ils sont encore plus vieux en arrivant au Cap d’Agde et à Palavas-les-Flots. Si, comme nous l’avons supposé auparavant, les boucles de circulation sont créées par le modèle mais ne reflètent pas la réalité, alors les contaminants ne se disperseraient pas de la même manière. Cependant, cette simulation prouve que la houle est susceptible de disperser des contaminants, et nous pouvons encore une fois conclure que ses effets de peuvent pas être négligés.

- 40 -

Figure 27 : Dispersion induite par vent de Sud-Est de 15m/s. Les concentrations à la source sont arbitraires, l’échelle est logarithmique.

Figure 28 : Age moyen en heures des contaminants pour une dispersion induite par vent de Sud-Est de 15m/s

Figure 29: Dispersion induite par une houle de Sud-Est de 2 m d’amplitude le long de la frontière ouverte. Echelle logarithmique

Figure 30 : Age moyen en heures des

contaminants pour une dispersion induite par une houle de 2 m d’amplitude le long de la frontière ouverte

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CONCLUSION Cette étude montre que le vent n’est pas le seul à générer des courants pendant des périodes où le vent et la houle sont importants. La houle a également un impact important sur la circulation dans ces moments-là. Un modèle comme SYMPHONIE reproduit bien la circulation à une échelle pré-littorale, lorsque la houle et le vent restent faibles. Par contre, lorsque les mesures montrent qu'en plus du vent, il y a une houle importante, la simulation sous-estime grandement l'intensité des courants. Une première approche prenant en compte les effets de la houle sur la circulation a été proposée par Denamiel (2006) au travers du modèle SYMPHONIE-SWELL, mais il semble que ce modèle a encore du mal à reproduire les courants. Dans le futur, pour réussir à bien prendre en compte les effets de houle sur les courants pendant les épisodes de tempête, il faudra sans doute agir sur l’un ou l’ensemble des paramètres suivants: le cadre théorique, l’implémentation numérique ou encore les conditions de simulation. Ce type de modèle pourra être extrêmement utile pour la prédiction des transports de particules (sédiments, bactéries, polluants..). En effet, les principaux transports sont générés lors d’épisodes de tempêtes avec forte houle. Une bonne connaissance de l’hydrodynamique lors de ces épisodes permettra ainsi aux gestionnaires du littoral de localiser les zones susceptibles d’être en érosion, en accrétion, ou encore les zones susceptibles d’être polluées, et de prévoir en conséquence des aménagements permettant de limiter les risques.

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BIBLIOGRAPHIE

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