Rétablissement de la dynamique sédimentaire dans les cours d'eau aménagés par érosion induite des berges : modélisation physique et numérique, cas du Vieux-Rhin

Physical and numerical modelling investigation of induced bank erosion as a sediment transport restoration strategy for trained rivers : the case of the Old Rhine (France)

• Auteur / Autrice : Andrés Die Moran
• Direction : Catherine Villaret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Soutenance le 19/12/2012
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Hydraulique Saint-Venant (Chatou, Yvelines)
• Jury : Président / Présidente : Éric Barthélemy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Catherine Villaret, André Paquier, Érik Mosselman, Kamal El Kadi Abderrezzak
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stephen Darby, Sandra Soares-Frazao

Mots clés

Mots clés contrôlés

Granulométrie

Bâle (Suisse ; région)

Cours d'eau

Écoulement (hydrologie)

Sédiments (géologie) -- Transport

Mots clés libres

Transport de sédiment

Modèle Physique

Modélisation numérique bidimensionnelle

Restauration des rivières

Ecoulements à surface libre

Vieux Rhin

Sediment transport

Scale physical model

Two-dimensional numerical model

River restoration

Open Channel flows

Old Rhine

Résumé

La dynamique sédimentaire des rivières, souvent modifiée par les aménagements, n'a pas été considérée comme un facteur significatif pour la qualité des environnements riverains et dans les stratégies de restauration. Les approches destinées à restaurer la charge sédimentaire d'une rivière afin qu'elle soit compatible avec les besoins environnementaux et humains, en termes de quantité de sédiments et de granulométrie, sont encore peu développées. De plus, les approches existantes telles que l'injection de sédiments sont souvent coûteuses et nécessitent une intervention humaine. Cette thèse porte sur l'érosion induite des berges, qui constitue une alternative plus durable pour l'environnement. Cette approche consiste à accroître le potentiel d'érosion en certains sites le long des berges d'une rivière chenalisée, en leur permettant d'être plus fortement érodés lors de crues. Deux approches, un modèle physique et des simulations numériques, ont été utilisées pour étudier un site localisé sur le Vieux-Rhin, en aval de Bâle (Suisse), où une modification des épis éxistents est prévue afin de favoriser l'érosion des berges. Dans un premier temps, différents scénarios de modification ont été testés sur une gamme de débits, au moyen d'un modèle physique à échelle de Froude non distordue avec un lit mobile. Dans ce modèle physique, un mélange de quatre classes granulométriques a été adopté afin de reproduire la courbe granulométrique mesurée en nature. Le modèle a été mis à l'échelle par une méthode spécifique qui représente avec précision le début du mouvement de chaque classe. Une stratégie efficace d'érosion des berges a été établie, qui libère des sédiments sans provoquer un retrait excessif des berges qui puisse compromettre la sécurité d'un chenal de navigation adjacent. Par la suite, l'aptitude du modèle numérique Telemac2D à modéliser l'érosion et les processus de rupture de berge a été évaluée. L'algorithme existant de rupture de berge a été modifié pour améliorer les résultats, et les développements implémentés ont été validés par des comparaisons sur des cas-tests de laboratoire. Enfin, les essais du modèle physique ont été simulés numériquement à la même échelle. Les simulations reproduisent les processus observés sur le modèle physique, et les volumes de sédiments érodés et déposés sont du même ordre de grandeur que ceux mesurés

Sediment transport dynamics, often heavily modified by river training, are not yet sufficiently considered as a significant factor in riparian environmental quality and river restoration strategies. Approaches for restoring a river's sediment in quantity and in grain size distribution, so that it is compatible with both ecological and human needs, are still under development. Furthermore, existing approaches such as direct sediment injection are often expensive and require human intervention. This thesis explores induced bank erosion, a more environmentally sustainable alternative. This approach involves increasing the potential for erosion at certain sites along the bank of a trained river, and allowing them to be eroded during high flow periods. Two modelling approaches, physical scaled models and numerical simulation, were used to study a site located on the Old Rhine downstream of Basle (Switzerland) where existing bank protection groynes will be modified to induce bank erosion. Firstly, different modification options were tested over a range of flow rates with a Froude-scaled undistorted movable-bed physical model. The physical model used a mixture of four grain sizes to reproduce the bank grain size distribution found at the site, and was scaled according to a specific method which accurately represents initiation of motion for each grain size. An effective bank erosion strategy was found that releases sediment without compromising the safety of an adjacent navigation channel through excessive bank retreat. Subsequently, the capability of the Telemac2D two-dimensional depth-averaged numerical modelling system to model bank erosion and failure processes was assessed, and the existing bank failure algorithm was modified in order to improve results. Algorithm developments were tested with two laboratory test cases. Then, the physical model tests were simulated at their same scale. Simulations reproduced the processes present in the physical model tests, and volumes of eroded and deposited sediment were of the same order of magnitude