Observation et modélisation des ondes infra-gravitaires et des non-linéarités des vagues en milieu littoral

par Mariana Vieira Lima Matias da Rocha

Thèse de doctorat en Océan atmosphère hydrologie

Sous la direction de Paulo A. Silva et de Hervé Michallet.

Le président du jury était Fernando Rocha.

Le jury était composé de André Fortunato, Paulo Avilez-Valante.

Les rapporteurs étaient Thomas Edward Baldock, Nadia Sénéchal.


  • Résumé

    Les non-linéarités des ondes de surface, qui se caractérisent par leur aspect dissymétrique, sont reconnues comme l'un des principaux moteurs du transport de sédiments en zone littorale. Cependant, l'estimation du transport reste imparfaite, en partie du fait d’une description inexacte des non-linéarités de la vitesse de l'écoulement orbital. Les ondes infra-gravitaires, qui coexistent avec les ondes courtes en zone littorale, sont des ondes de longue période (20-200 s) associés aux groupes d'ondes courtes. Les mécanismes de génération, propagation et dissipation de ces ondes sont maintenant relativement bien compris, mais leur effet sur le transport sédimentaire est encore mal connu. Afin (i) d’améliorer les paramétrisations existantes des non-linéarités de vitesse et (ii) d’étudier le rôle des ondes infra-gravitaires dans le transport sédimentaire, de nouvelles expériences ont été réalisées dans deux canaux à houle, l’un avec un fond fixe et l'autre avec un fond mobile constitué de sédiments de faible densité. Les données obtenues avec ces modèles physiques ont été utilisés conjointement à des données de terrain et des simulations numériques pour étudier les deux sujets.}TEXT{}{Les paramétrisations classiques pour les non-linéarités de vitesse prennent seulement en compte l'influence de paramètres locaux (la hauteur de vague, la longueur d'onde et la profondeur d’eau), ce qui entraîne des erreurs importantes dans les estimations, en particulier les valeurs maximales de non-linéarité. Ce travail montre que les non-linéarités de vitesse ont aussi une dépendance avec des paramètres qui ne sont pas locaux: (i) la cambrure de vague et (ii) la largeur de la bande spectrale au large, ainsi que (iii) la pente de la plage. Une nouvelle paramétrisation est proposée, qui réduit d’environ 50% l'erreur sur les résultats obtenus avec les paramétrisations existantes. Les résultats expérimentaux obtenus dans le canal à houle avec un fond mobile montrent que des conditions de vagues avec la même énergie d'ondes courtes, mais avec une modulation basse fréquence différente, modèlent des profils de plage différents. L'influence des ondes infra-gravitaires sur le transport sédimentaire est mis en évidence par deux mécanismes distincts: (i) l’advection par les ondes infra-gravitaires de sédiment mis en suspension par l'action des ondes courtes, qui dépend de la hauteur des ondes infra-gravitaires et de leur phase par rapport aux groupes d'ondes courtes et (ii) les ondes infra-gravitaires modifient les non-linéarités des ondes courtes, que ce soit directement ou indirectement, par modulation de la hauteur de la colonne d'eau. Les variations morphologiques du haut de plage induites par les ondes infra-gravitaires sont associées à des changements du profil de la plage dans les zones de déferlement et de levée, en mettant en évidence le lien entre les différentes régions du profil transversal de la plage.

  • Titre traduit

    Observation and modelling of wave nonlinearities and infragravity waves in the nearshore


  • Résumé

    Wave nonlinearities have long been recognised as being among the main drivers of sediment transport in the coastal zone. However, there are still significant errors in the prediction of this transport associated, partially due to inaccurate predictions of the velocity nonlinearities. The infragravity waves, which coexist with the short waves in the coastal zone, are long-period waves (with 20-200 s) associated to the short-wave groups. Their generation, propagation and dissipation mechanisms are already reasonably well understood, but their influence on sediment transport is still very poorly characterised. In order to (i) improve current predictions of velocity nonlinearities and (ii) investigate the role of infragravity waves in sediment transport, new experiments were carried out both in a fixed-bed wave flume and in a light-weight-sediment wave flume. The physical-modelling data set is used in combination with field data and numerical simulations for studying both subjects. Existing parameterizations of velocity nonlinearities account only for the influence of local wave parameters (e.g. wave height, wave length and water depth), which leads to considerable estimation errors, especially of the maximal values of nonlinearity. This work shows that the velocity nonlinearities depend also on non-local wave parameters: (i) offshore wave steepness, (ii) offshore spectral bandwidth and (iii) beach slope. A new parameterization is proposed, which reduces by about 50% the root-mean-square error relatively to former parameterizations. The experimental results in the light-weight-sediment wave flume demonstrate that wave conditions with the same short-wave energy, but different low-frequency modulation, shape different equilibrium beach profiles. The influence of the infragravity waves on the sediment transport is confirmed and depends on two different mechanisms: (i) advection of the short-wave suspended sediment by the infragravity-waves, which is dependent on the infragravity-wave height and phasing with the short-wave groups and (ii) modulation of short-wave nonlinearities by infragravity-wave motion, both directly and indirectly, through water-depth modulation. Changes in the beachface morphology induced by infragravity waves are connected to beach-profile changes in the surf and inner-shoaling zones, highlighting the existent link between the different zones of the cross-shore beach profile.


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