Transport sédimentaire sous le déferlement des vagues in situ pendant les périodes de recouvrement des plages – WEST

Pour bien comprendre comment le sable se déplace sous l’effet des vagues, il faut des mesures ultra-précises, à la fois dans le temps (chaque dixième de seconde) et dans l’espace (au millimètre près). Un appareil récent, appelé ACVP (Acoustic Concentration and Velocity Profiler), permet d’atteindre cette précision. Il fonctionne grâce à un système acoustique avancé, qui mesure simultanément la vitesse de l’eau et la concentration de sédiments sur une hauteur de 10 à 20 cm. Grâce à une collaboration avec l’entreprise Ubertone, une version portable de cet appareil a été développée. Elle utilise une technologie améliorée pour obtenir des mesures encore plus fiables sur la quantité et la taille des grains de sable en suspension.

Un autre défi consiste à mesurer la forme des vagues lorsqu’elles approchent du rivage et commencent à déferler. C’est un phénomène complexe, car ces vagues ont des formes irrégulières et changeantes. Aujourd’hui, grâce aux progrès des caméras stéréo-vidéo et des technologies de télédétection comme le LiDAR, il est possible d’obtenir des images 3D précises de la surface de l’eau. Dans le projet WEST, des tests ont été menés avec un système vidéo low-cost et un LiDAR embarqué sur un drone. C’était la première fois que des mesures de vagues en 16 faisceaux LiDAR étaient testées depuis un drone, permettant de comparer les avantages et les limites de ces différentes méthodes.

Enfin, la modélisation numérique joue un rôle clé pour mieux comprendre les interactions entre vagues et sédiments. Une fois validés, ces modèles permettent d’évaluer l’impact de chaque phénomène individuellement. Le logiciel CROCO, dans sa version avancée, a été choisi pour modéliser ces processus avec une précision de l’ordre de 2 mm. Il peut simuler les turbulences, les vagues, le transport des sédiments et les changements de forme du fond marin. Bien que d’autres outils comme Waves2Foam et SedWaveFoam aient été envisagés, ils se sont révélés trop gourmands en calcul et difficiles à installer sur les serveurs du projet. CROCO, soutenu par la communauté scientifique de Brest, s’est avéré être la meilleure option pour simuler avec efficacité les processus étudiés dans WEST. Le prochain projet de recherche se concentrera donc encore plus sur cet outil.

Les recherches menées dans le cadre du projet WEST ont permis de mettre en évidence un problème important : les modèles informatiques utilisés jusqu’à présent ne prennent pas bien en compte la reconstruction des plages après une tempête. Grâce à nos travaux, nous avons réussi à mesurer en 3D la surface de l’eau et à enregistrer, avec une très haute précision, la vitesse et la concentration du sable en mouvement dans la fine couche d’eau située au fond.

L’un de nos objectifs a été d’analyser comment le sable se déplace sous les vagues, en distinguant deux zones : là où les vagues commencent à se lever et là où elles déferlent. Pour comparer nos résultats aux expériences réalisées en laboratoire avec des vagues simples et régulières, nous avons dû sélectionner les vagues observées en mer afin qu’elles soient représentatives en termes de puissance et de forme. Ce travail méthodologique a été détaillé dans la thèse de Noémie Fritsch et dans un article en cours de publication.

Un autre point clé du projet a été d’étudier comment la forme des vagues influence les courants sous-marins, notamment dans la couche d’eau proche du fond. Nous avons analysé trois aspects : l’évolution des distorsions des vagues (non-linéarités), le décalage entre le courant principal et le courant près du fond et l’épaisseur de la couche de fond.

Nos résultats montrent que les vagues qui déferlent ont un effet marqué sur cette couche, un phénomène déjà décrit par Berni et al. (2013). Nous avons aussi observé un décalage d’environ 20 degrés entre les courants en surface et ceux près du fond, mais il reste difficile à prévoir avec précision. Quant à l’épaisseur de la couche de sable en mouvement, nous avons démontré que les définitions existantes ne suffisent pas à décrire correctement son évolution au fil du passage des vagues.

Ensuite, nous avons étudié comment les courants influencent le déplacement des sédiments. Nous avons mesuré la quantité de sable transportée et comparé nos données aux formules classiques utilisées en modélisation. Résultat : ces formules sous-estiment le transport vers la côte, notamment parce qu’elles ne prennent pas assez en compte le sable qui roule sur le fond. Nous avons aussi constaté que les vagues naturelles transportent plus de sédiments que les vagues artificielles utilisées en laboratoire, comme celles simulées dans le modèle SANTOSS.

Enfin, nous nous sommes intéressés à l’effet de la pente des plages sur les vagues et leur déferlement. Nos analyses montrent que lorsque la pente est trop forte, les vagues n’ont pas le temps de s’adapter aux conditions locales de profondeur, un phénomène étudié par Diouf et al. (2024) et qui est actuellement approfondi par des simulations numériques avec le modèle CROCO-NH.

Pour conclure ce projet, nous avons organisé un workshop international, rassemblant des experts du domaine pour discuter des avancées réalisées et des futures recherches à mener.

Le projet WEST est une première étape. Il constitue une brique manquante dans la recherche fondamentale et les avancées technologiques avant de pouvoir poursuivre les avancées futures dans les études de dynamique côtière. Maintenant que les outils sont au point, deux projets sont en cours de préparation. L'un propose de s'attaquer directement aux verroux mis en évidence à la fin de WEST, en se basant sur le réseau international tissé pendant WEST. L'idée est de réussir à prédire les paramètres clés décrivant l'hydrodynamique de la couche limite (épaisseur,

déphasage et non-linéarités du courant) ainsi que le transport de sédiment induit, en fonction de la largeur spectrale des vagues incidentes, les intéractions entre fréquences conduisant à la

présence de groupe de vagues, et la pente de la plage. Nous nous appuierons pour ce projet sur des données en parties acquises et sur de nouvelles données in situ et de laboratoire (en collaboration avec l'université de Catalogne notamment, qui dispose d'un canal grandeur nature), Le second projet se basera notamment sur nos développements réalisés sur la mesure 3D de la

surface libre. L'idée du projet est de mieux comprendre la dynamique de macro-rugosités sur les plages (type grandes rides) et d'évaluer le potentiel de cordon de galets comme Solution Fondée

sur la Nature contre l'érosion des côtes. L'originalité du projet réside dans la compréhension de l'influence de la variabilité longshore du déferlement sur les courants, possible grâce à un système stéréo-vidéo couplé à des courantomètres.

Conférences internationales
1. Suspended sediment concentration and sediment transport measurements with a two components ultrasonic profiler.
H. Guta , M. Burckbuchler, S. Fischer (Ubertone) – THESIS conference, Les Houches, Juin 2022
2. In situ high frequency measurement of sediment transport in the surf zone. N. Fritsch, G. Fromant, F. Floc’h, S. Fischer – Coastal Sediment, New Orleans, April 2023

Conférences nationales
1. Drones et capteurs embarqués de l'Institut Universitaire Européen de la Mer. J. Ammann, 1ere édition de journées Drones & Caps, Oléron, 28 - 30 septembre 2021
2. Mesure hydrosédimentaire en zone intertidale : conception d’un mouillage modulaire portable, F. Floc’h, E. Droniou, M. Huchet, N. Fritsch. Journée du Low’Coast, Plouzané, Mai 2022
3. Mesure 4D de vagues par stéréo-vidéo, Augereau E., Jaud M., Bertin S., Journée du Low’Coast, Plouzané, Mai 2022
4. Journée du Low’Coast, Plouzané, Mai 2022
5. Stéréo-GoPro, Stéphane Bertin, Marion Jaud, Emmanuel Augereau, Charles Poitou, Aelaïg Cournez, France Floc’h, Workshop sur la stéréo-vidéo, Plouzané, avril 2022
6. Mesure de la dynamique hydrosédimentaire dans la zone de déferlement par mesure in situ : conception d’un mouillage modulaire dédié. N. Fritsch, F. Floc’h, G. Fromant, E. Droniou, and S. Fischer. ASF, Brest, septembre 2022
7. Développement et évaluation d’un système de stéréo-vidéo pour la mesure de vagues en zone de déferlement. M. Jaud, S. Bertin, E. Augereau, C. Poitou, A. Cournez, N. Fritsch, F. Floc’h – GCGC, Chatou, Octobre 2022
8. Mesure de la dynamique hydrosédimentaire dans la zone de déferlement par mesure in situ : conception d’un mouillage modulaire dédié. N. Fritsch, F. Floc’h, G. Fromant, E. Droniou, and S. Fischer. GCGC, Chatou, Octobre 2022

Articles de vulgarisation
1. Floc’h F., Le retour du sable sur les côtes, juillet-Aout 2021, Sciences Ouest n.390 www.espace-sciences.org/sciences-ouest/390/actualite/le-retour-du-sable-sur-les-cotes

Les côtes, en tant qu'interface terre-mer, sont parmi les environnements les plus dynamiques et les plus fragiles de la planète. Les côtes sableuses sont particulièrement vulnérables, notamment en raison des foçages hydrodynamiques côtiers, qui affectent le transport des sédiments et les bilans sédimentaires. Les forces hydrodynamiques jouent un rôle essentiel dans la variabilité des plages, étant de plus en plus responsables des perturbations majeures des écosystèmes côtiers. Il est essentiel de poursuivre la recherche sur les interactions entre l'hydrodynamique des côtes et le transport des sédiments pour évaluer la réaction future des systèmes côtiers. Au cours des deux dernières décennies, d'importants efforts de recherche ont été consacrés à la compréhension et à la modélisation des processus de transport des sédiments sous des vagues non linéaires réalistes dans la zone littorale. Les mécanismes d'érosion pendant les événements extrêmes étant bien décrits dans la littérature, la nouveauté de WEST est d'entreprendre de nouvelles recherches sur le transport des sédiments pendant les périodes d'accrétion, menant au rétablissement de la plage. En fait, l'érosion des tempêtes peut avoir des effets à court et à moyen terme sur les côtes, en fonction des mécanismes d'accrétion et des échelles de temps nécessaires. Pour prédire l'évolution des côtes, il faut définir avec précision les mécanismes d'érosion et d'accrétion. Pendant la récupération de la plage, plusieurs processus physiques interagissent sans aucun facteur prédominant contrôlant le transport des sédiments. L'objectif général de WEST est d'évaluer les interactions entre les vagues, l'hydrodynamique et la pente de fond menant au transport net de sédiments vers la côte dans la zone de surf. Les objectifs généraux sont de clarifier la contribution relative des processus physiques menant au transport net de sédiments vers la plage en fonction de facteurs hydrodynamiques et morphologiques. Le premier objectif de WEST est d'étudier l'impact de la déformation en surface libre sur l'hydrodynamique de la colonne d'eau, en particulier dans la Couche Limite de Fond (CLF). Le second objectif concerne l'interaction entre le courant et le transport de sédiment, ainsi que, dans une moindre mesure, l'influence possible de la pression dans le lit sédimentaire. Le troisième objectif de WEST concerne l'influence de la pente de plage sur les non linéarités des vagues et le déferlement. La nouveauté de WEST réside également dans la première tentative d'obtenir des mesures in situ précises du transport des sédiments et des déformations de surface libre proche du déferlement. La caractérisation de la surface libre in situ est très difficile. WEST s'appuiera sur les recherches les plus récentes sur la dynamique des vagues et le transport des sédiments, en mettant en oeuvre une technologie de pointe pour produire les mesures les plus complètes de la CLF sous les vagues déferlantes in situ, ainsi que sur les améliorations les plus récentes apportées aux méthodes numériques de type CFD. A la fin du projet, WEST fournira le premier ensemble de données permettant d'aborder l'influence des non-linéarités des vagues sur la colonne d'eau jusqu'à la CLF et leur influence sur la variabilité de la contrainte de cisaillement au fond. WEST permettra également de quantifier le transport des sédiments en suspension ainsi qu'en charriage. Ces résultats nous permettront de mieux comprendre les mécanismes de rétablissement de la plage, ce qui permettra d'améliorer les modèles morphodynamiques couramment utilisés par les ingénieurs et gestionnaires côtiers pour la gestion des zones côtières.