Panaches fluviaux denses chargés de sédiments dans les lacs : interactions écoulement-sédiment-bathymétrie – HARP

Au cours d'une phase de recherche préparatoire, les partenaires ont (i) développé un dispositif de terrain à l'entrée du Rhône dans le lac Léman qui combine des mesures ADCP tractées par bateau de la vitesse et de la concentration de sédiments avec une imagerie continue de télédétection des modèles de surface du panache dans le champ proche, et recueilli des données couvrant une large gamme de conditions ; (ii) validé une infrastructure de laboratoire à grande échelle pour étudier les panaches de rivières salines non confinées ; (iii) établi le modèle numérique à deux phases SedFoam pour les écoulements chargés de sédiments.

Ce projet s'appuiera sur la phase préparatoire et intégrera les enquêtes de terrain, les expériences de laboratoire et la modélisation numérique. Les données de terrain disponibles seront analysées et des données supplémentaires seront acquises si nécessaire. L'infrastructure de laboratoire à grande échelle sera adaptée aux panaches chargés de sédiments et des expériences seront réalisées. Les résultats des études sur le terrain et en laboratoire seront généralisés par des expériences numériques avec le modèle SedFoam.

L'intégration des installations uniques de terrain et de laboratoire et du modèle numérique innovant à deux phases conduira à des avancées transformatrices. Les conceptualisations existantes seront étendues aux configurations géométriques non confinées et aux interactions flux-sédiments-bathymétrie lors d'épisodes intermittents de sédimentation et de transport. Des données de terrain et de laboratoire de haute qualité, acquises dans un large éventail de conditions, seront mises à la disposition de la communauté des chercheurs.

EXPÉRIENCES : Deux campagnes expérimentales ont été proposées dans la plateforme Coriolis du LEGI ; des expériences avec des apports hyperpycnaux salins (SAL) et celles avec des apports chargés en sédiments (SED). Les deux aspects de SAL qui se limitent aux contrôles géométriques (rapport d'aspect et confinement) ont eu lieu au printemps 2024. Les champs d'écoulement dans les expériences SAL ont été obtenus dans différentes configurations de vélocimétrie par image de particules (PIV) (horizontale H, verticale V, et inclinée S). La première partie de l'expérience SED (expériences d'essai) s'est déroulée du 14 au 21 mars 2024. Elle a été réalisée avec une seule largeur de canal de 1 m sans confinement pour une profondeur de canal d'entrée constante. Les profils de vitesse ont été mesurés à l'aide d'un profileur de vitesse acoustique à effet Doppler (ADVP) et les changements bathymétriques ont été déterminés à l'aide d'une technique de balayage laser optique impliquant des feuilles laser à haute résolution et une caméra.

OBSERVATIONS : Au cours de la première phase du projet HARP, une combinaison de logiciels MATLAB auto-écrits et libres a été utilisée pour le traitement de toutes les données ADCP et d'un ensemble limité d'images. L'analyse ultérieure des données a conduit à la description détaillée et à la quantification de nombreux processus de mélange hydrodynamique présents dans la région de plongée (Figure 1), ce qui a permis de tester les hypothèses existantes sur les affluents plongeants non confinés. Cela a abouti à l'élaboration d'un modèle hydrodynamique conceptuel étendu pour ces affluents (figure 2). En outre, l'analyse a permis de découvrir des interactions entre l'écoulement, les sédiments et la bathymétrie.

SIMULATIONS NUMÉRIQUES : Les principaux travaux réalisés au cours de la première phase du projet HARP portent sur la simulation numérique du panache fluvial hyperpycnal et ont été menés selon deux axes principaux. Premièrement, des simulations d'un panache chargé de sel ont été réalisées en utilisant la même géométrie et les mêmes paramètres d'écoulement que les expériences de plongée non confinée, à un rapport d'aspect variable du canal, réalisées dans la plate-forme Coriolis. Deuxièmement, des simulations d'un panache chargé de sédiments ont été réalisées dans différentes conditions d'écoulement. L'approche numérique utilisée pour les simulations avec charge de sel s'appuie sur une méthode bien établie et validée, utilisant le solveur d'Open-Foam. Cette approche est basée sur la simulation des grandes turbulences (LES) et résout les équations de transport de masse et de quantité de mouvement des fluides ainsi qu'une équation de transport pour le sel. Le principal résultat obtenu à partir de ces simulations est le coefficient d'entraînement du panache, qui est évalué sur la base du débit, à travers différentes sections du domaine le long de la direction du courant.

Une tentative de reconstruction en 3D des champs d'écoulement à partir des différents dispositifs expérimentaux est actuellement en cours. Cela permettra d'estimer le coefficient de mélange Ep à partir des profils verticaux transversaux qui n'ont pas été mesurés dans les expériences, en interpolant les données SAL disponibles. La deuxième partie de SED (expériences de dépôt-érosion) est programmée pour mai 2025.

Les simulations du panache hyperpycnal chargé de sédiments ont été effectuées en utilisant la simulation des grandes turbulences (LES) et le solveur biphasique (fluide-solide) SedFoam. Une étude paramétrique avec des particules de sable (s = 2,65, similaires à celles trouvées dans le fleuve Rhône) a identifié le nombre de suspension comme un paramètre clé pour la dynamique du panache.

Les simulations futures étendront l'étude aux particules de PMMA (s = 1,25) et de polystyrène (s = 1,05), en accord avec la série d'expériences à venir sur la plate-forme Coriolis.

Contexte de recherche plus large

Le projet HARP porte sur la dynamique des panaches hyperpycnaux, c'est-à-dire des panaches induits par des apports fluviaux chargés de sédiments dont la densité est supérieure à celle de la masse d’eau ambiante (lac, réservoir, océan). En particulier, nous étudierons l'écoulement en champ proche et les interactions écoulement-sédiments-bathymétrie. Les processus hydro-sédimentaires du champ proche contrôlent le devenir des substances (par exemple, les sédiments, les nutriments, l'oxygène, les contaminants) introduites par la rivière, ce qui est d'une importance critique dans les applications pratiques, par exemple, la modélisation de la qualité de l'eau dans les lacs ou la gestion des sédiments dans les réservoirs.

Questions et objectifs de recherche

La compréhension actuelle de la dynamique des panaches est limitée à des géométries confinées simples, et les interactions entre l'écoulement, les sédiments et la bathymétrie ne sont pas bien comprises en partie à cause d'un manque de données de terrain et de laboratoire. Ce projet abordera trois questions de recherche pour une large gamme de géométries confinées et non confinées : (i) Quelles sont les caractéristiques et les paramètres de contrôle dominants des processus d'écoulement ? (ii) Quelle est l'influence des sédiments sur ces processus ? (iii) Quelles sont les interactions dominantes entre l'écoulement, les sédiments et la bathymétrie ?

Approche et méthodes

Dans une phase de recherche préparatoire, les partenaires ont : (i) développé une installation de terrain au niveau de l'afflux du Rhône dans le lac Léman qui combine des mesures de vitesse et de concentration de sédiments effectuées par un ADCP monté sur un bateau avec de la télédétection continue de la surface du panache, et collecté des données couvrant une large gamme de conditions ; (ii) validé une infrastructure de laboratoire à grande échelle pour l'étude des panaches de rivières salines non confinées ; (iii) établi le modèle numérique à deux phases SedFoam pour les écoulements chargés de sédiments.

Ce projet s'appuiera sur la phase préparatoire et intégrera des études de terrain, des expériences en laboratoire et de la modélisation numérique. Les données de terrain disponibles seront analysées et des données supplémentaires seront acquises si nécessaire. L'infrastructure de laboratoire à grande échelle sera adaptée aux panaches chargés de sédiments et des expériences seront réalisées. Les résultats des études de terrain et en laboratoire seront généralisés par des expériences numériques avec le modèle SedFoam.

Niveau d'originalité et d'innovation

L'intégration des installations uniques de terrain et de laboratoire et du modèle numérique innovant à deux phases conduira à des avancées transformatrices. Les conceptualisations existantes seront étendues aux configurations non confinées et aux interactions écoulement-sédiment-bathymétrie pendant les épisodes intermittents de sédimentation et d’érosion. Des données de terrain et de laboratoire de haute qualité acquises dans une large gamme de conditions seront mises à la disposition de la communauté scientifiques.

Chercheurs principaux

Un postdoc effectuera l'étude de terrain, un PhD les expériences en laboratoire et un Postdoc la modélisation numérique. Ils seront supervisés par Koen Blanckaert (TU Wien, PI), Eletta Negretti (CNRS-LEGI, co-PI) et Julien Chauchat (UGA/GINP-LEGI, co-PI).