Dynamique hydro-sédimentaire de l'estuaire de la Rance : fonctionnement, évolution et gestion

Hydro-sedimentary dynamics of the Rance estuary : processes, evolution and management

• Auteur / Autrice : Rajae Rtimi
• Direction : Aldo Sottolichio
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'environnement
• Date : Soutenance le 23/02/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Environnements (Pessac, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Environnements et Paléoenvironnements Océaniques et Continentaux (Talence, Gironde ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Castelle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claude Estournel, Florent Grasso, Monica Fossati, Pablo Tassi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvain Guillou, Isabelle Brenon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Estuaires -- France

Sédiments (géologie) -- Transport

Modèles mathématiques

Dynamique hydro-sédimentaire

Mots clés libres

Hydrodynamique

Transport sédimentaire

Morphodynamique

Energie marémotrice

L'estuaire de la Rance

Modélisation numérique

Hydrodynamics

Sediment transport

Morphodynamics

Tidal energy

The Rance estuary

Numerical modelling

Résumé

L’estuaire de la Rance est une ria relativement petite (20km de long) avec un faible débit fluvial. Elle est située sur la côte bretonne dans le nord de la France, avec un marnage qui peut atteindre 13,5m au maximum de vive-eau. En profitant de ces marées, la première usine marémotrice opérationnelle au monde (actuellement la deuxième plus grande) a été construite dans les années 1960 à l’embouchure de l’estuaire. Le bassin de la Rance est également caractérisé par sa complexe morphologie et l’aménagement de sa limite fluviale (l’écluse du Chatelier). Un envasement net a été observé dans la partie amont de l’estuaire depuis les années 1980 par plusieurs études. Cependant, l'impact de l’usine sur l'hydrodynamique, le transport sédimentaire et la morphodynamique n'est toujours pas quantifié. En outre, la connaissance des processus physiques régissant la dynamique hydro-sédimentaire dans ce système complexe reste très limitée. Ce travail de thèse vise à mieux comprendre la dynamique hydro-sédimentaire dans ce système aménagé d’une usine marémotrice à son embouchure et d'une écluse à sa limite fluviale. Pour atteindre cet objectif, une approche complémentaire entre les mesures terrain et la modélisation numérique a été déployée. D'une part, le suivi terrain des variables hydro-sédimentaires a été réalisé pour calibrer et valider les modèles numériques. D’autre part, deux modèles numériques hydro-sédimentaires 2D et 3D ont été développés dans le système de modélisation TELEMAC-MASCARET. Les résultats numériques montrent que l’usine induit (i) une diminution importante du marnage et du prisme de marée ainsi que la submersion de plusieurs zones intertidales ; (ii) une limitation des niveaux hauts à l'intérieur du bassin ce qui lui protège contre les inondations marines ; et (iii) une diminution générale des courants sauf dans la région proche de l’aménagement. De plus, la morphologie de l'estuaire amplifie les courants de jusant dans le rétrécissement au Port-Saint-Hubert. Par ailleurs, le fonctionnement de l’usine repousse l'interface eau douce-eau salée d'environ 5km vers l’amont, cette position est également sensible à la variation saisonnière du débit fluvial. Le modèle hydro-sédimentaire 3D montre qu'à l'échelle d'un cycle de marée (i) les pics de matières en suspension sont constatés pendant la phase de remplissage de l'estuaire ; et (ii) les sédiments pourraient être remis en suspension localement pendant la phase de turbinage (étape de production d'électricité en jusant). A l'échelle d’un cycle de 14 jours, le flux sédimentaire résiduel est constamment orienté vers l'amont de l’estuaire. Par conséquent, les importants taux de sédimentation sont observés dans le chenal principal amont. Ce comportement morphodynamique est également observé sans usine marémotrice, mais avec des taux de sédimentation plus faibles. A l'échelle d'un an, les résultats numériques hydro-sédimentaires 2D ont évalué la nécessité d’un débit fluvial considérant les chasses hydrauliques pour simuler correctement les processus morphodynamiques à long terme. Par ailleurs, les chasses hydrauliques réalisées à l'écluse du Chatelier et l'ouverture des vannes pendant le jusant ont prouvé leur efficacité pour diminuer l'accumulation des sédiments dans la partie amont de l'estuaire. Enfin, les modèles numériques complémentaires 2D et 3D ont démontrés leur pertinence pour aider à définir un plan de gestion durable de l'estuaire.

The Rance estuary is a relatively small low-discharge steep-sided ria, located along the Brittany coast in northern France, with a maximum spring tidal range of 13.5 m. Taking advantage of this hyper-tidal regime, the first operational tidal power station (TPS) in the world (and currently the second largest) was built at the estuary’s mouth and has been in operation since the 1960s. In addition to the TPS, the Rance estuary is characterized by its complex morphology and the configuration of its uppermost limit (Chatelier lock).Net siltation and sediment accumulation were reported in the basin since the 1980s by various studies based on field measurements. However, the impact of the TPS on hydrodynamics, sediment transport and morphodynamic is still unquantified. In addition, the relevance of each physical processes driving hydrodynamics and sediment dynamics in this complex system is still unclear.This PhD thesis aims to better understand hydro-sedimentary dynamics in this highly engineered system by the presence of a tidal power plant on its mouth and a lock on its uppermost limit.To this goal, a complementary approach accounting for both field measurements and numerical modelling was deployed. On the one hand, field surveys of hydro-sedimentary variables were carried out to calibrate and validate the numerical models. On the other hand, 2D and 3D hydro-sedimentary numerical models were developed in the TELEMAC-MASCARET modelling system.Numerical results reveal that the TPS induces (i) a major decrease in tidal range and tidal prime along with the increase of submerged intertidal zones; (ii) a limitation of high-water level inside the estuary protecting it against marine flooding; and (iii) an overall decrease in currents except in the region close to the TPS. Moreover, the morphology of the estuary amplifies ebb currents in the narrowing at Saint-Hubert-Port. Furthermore, the TPS pushes the freshwater-saltwater interface roughly 5km upstream in the estuary. Its position is also sensitive to seasonal river discharge variation.The 3D hydro-sedimentary model shows that at the scale of a tidal cycle (i) peak suspended sediment concentrations (SSC) are noticed during the estuary's infilling phase; and (ii) sediment could be resuspended locally during the turbining phase (electricity production stage), but would not be transported further than 3km from the uppermost limit. At the scale of a fortnight, residual sediment flux is continuously oriented towards the upper estuary. Consequently, significant sedimentation rates were observed in the main upstream channel. This morphodynamic behavior was also captured by the model under natural tidal forcing (without TPS), but with lower sedimentation rates. At the time-scale of one year, 2D hydro-sedimentary numerical results assess the need to provide an accurate river discharge considering hydraulic flushes to correctly simulate long term morphodynamic processes.Furthermore, hydraulic flushes at the Chatelier lock and the opening of sluice gates during ebb prove their efficiency in decreasing sediment accumulation in the upper estuary. Finally, the complementary 2D and 3D numerical models showed to be invaluable tools to define a sustainable management plan of the Rance estuary.