Rôle des ondes infragravitaires sur l’agitation portuaire en période de tempête

Role of infragravity waves on port agitation during storm events

• Auteur / Autrice : Florian Bellafont
• Direction : Denis Morichon, Volker Roeber
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 12/12/2019
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur appliquées à la mécanique et au génie électrique (Anglet) - Laboratoire des Sciences de l'Ingénieur Appliquées à la Mécanique et au génie Electrique
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Morichon, Volker Roeber, Philippe Bonneton, Ad Reniers, Philippe Sergent, France Floc'h
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Bonneton, Ad Reniers

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes de tempête

Équations de Boussinesq

Mots clés libres

Port maritime

Ondes infragravitaires

Modèle Boussinesq

Tempête

Seiche

Cavalement

Système d'alerte

Seaport

Infragravity waves

Boussinesq model

Coastal seiche

Surge motion

Predictive system

Résumé

Les ondes infragravitaires (IG) sont des vagues de surface dont la période est comprise entre 30 s et 5-10 min. Elles sont principalement générées par des phénomènes non-linéaires associés aux vagues courtes incidentes (5-30 s). Du fait de leur grande longueur d'onde, les vagues IG sont difficilement amorties par les structures de protection portuaires, telles que les digues et les brise-lames, et pénètrent facilement dans les ports. Une fois dans le port, elles peuvent entraîner la mise en résonance du bassin et/ou des navires de commerce amarrés à quai et impacter l'exploitation portuaire.Cette étude, réalisée dans le cadre d’un projet de recherche en collaboration avec le Port de Bayonne et le SHOM , se concentre sur la transformation des ondes IG dans un milieu estuarien en présence d'un port maritime en se focalisant sur les événements de tempête. Le port de Bayonne (France), situé à l'embouchure de l'Adour, constitue le site d'étude. Localisé au fond du Golfe de Gascogne, il est exposé à des houles hivernales très énergétiques, propices à la génération d'ondes IG. En outre, le port de Bayonne est représentatif des ports fluviaux aménagés dont la profondeur du chenal de navigation est maintenue par des opérations régulières de dragage. Il présente également un port de plaisance composé de deux bassins connectés sur la rive gauche du fleuve.Une campagne de mesure intensive a été reconduite pendant trois hivers consécutifs (2016-2019) afin de caractériser l'oscillation portuaire et le comportement du port sous différentes conditions, et d'étudier les mécanismes de génération du forçage extérieur. La mesure en continue de l'état de mer au large par une bouée de houle directionnelle a été complétée par le déploiement temporaire de cinq capteurs de pression dans le port. L'étude montre que l'agitation portuaire est majoritairement contrôlée par les ondes IG qui se propagent librement dans le fleuve qui fait alors office de guide d'ondes. Les ondes IG se dissipent peu dans le fleuve si bien qu'à plusieurs kilomètres de l'embouchure, un bateau amarré peut être exposé au phénomène de résonance. Basé sur les paramètres globaux d'agitation au large (hauteur, période et direction des vagues), un modèle prédictif de l'amplitude des ondes IG à l'embouchure du port a été développé et validé. Ce modèle constitue la première étape dans la mise en place d'un système d'alerte opérationnel.Un événement de tempête de période de retour annuelle a été simulé par un modèle de vagues à phase résolue, basé sur les équations de Boussinesq, afin de compléter les données expérimentales et d'étudier l'impact des activités portuaires (dragage et configuration de l'embouchure du fleuve) sur la dynamique des ondes IG en proche côtier et dans le fleuve. L’étude montre que les activités de dragage peuvent avoir un impact défavorable sur l’agitation portuaire. Une nouvelle configuration de l'embouchure du fleuve, consistant en la création d'un avant-port, a été simulée. Les résultats des simulations numériques montrent que cet aménagement limite l'agitation portuaire dans la bande infragravitaire, pour l’événement simulé.

Infragravity (IG) waves are surface long waves whose periods are ranging between 30 s and 5 to 10 min. IG waves are associated with incident wind-induced short waves (5-30 s) and generated by nonlinear phenomena. These long waves are difficult to dampen by port protective structures, such as dikes or breakwaters, due to their large wavelength. Once they enter a harbor, they can be amplified and excite semi-closed port basins and/or cargo-type moored vessels. Such phenomenon affects port operations.This PhD thesis is part of a research project involving port of Bayonne on behalf of the Nouvelle Aquitaine Region council and the SHOM. This study aims to improve the knowledge about the dynamic of infragravity waves in river seaports during storm events. Port of Bayonne (France), located at the Adour river mouth, constitutes the main study site. Situated at the bottom of Bay of Biscay (Atlantic ocean), it is exposed to very energetic winter swells, favorable to the generation of significant IG waves. Port of Bayonne is also representative of operating river seaports whose shipping channel depth is maintained by regular dredging operations. A marina, composed of two connected basins, is located on the left riverbank.An intensive measurement campaign was conducted over 3 consecutive winters (2016-2019) in order to characterize the port behavior and identify the generation mechanisms of external forcing. The offshore agitation data, continuously recorded by a directional wave buoy, were supplemented by the deployment of five pressure sensors in the port. This unique dataset covers a large range of external forcing scenarios: calm and energetic offshore incident waves, different water level and tide phases. The results show that the IG waves control port agitation and propagate freely in the river, which acts as a wave guide. IG waves lose little energy during their propagation in the river, and a cargo-type moored vessel can remain exposed to resonance phenomenon even at several kilometers from the river mouth.Based on offshore incident short waves bulk parameters (height, period and direction of waves), a predictive model of the IG wave height at the river mouth was developed and validated. This model constitutes the first step in the development of an IG hazard prediction system, whose purpose is to improve port operations management. A one-year return period storm event was simulated with a Boussinesq-type wave model, which allows to describe both non-linear interactions and dispersive effects at wave scale. It is intended to assess the impact of port activities (dredging operations and river mouth configuration) on the IG waves dynamic in the nearshore area and in the river. The results suggest that the position of a dredging disposal can be critical as it can favor the concentration of incident wave energy on port entrance. A new spatial configuration of the river mouth, consisting of the creation of an outer harbor basin, was simulated. The results show that an appropriate spatial configuration of a river mouth could reduce the incoming IG wave amplitude in the river.