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

Les progrès futurs sur les processus de la couche limite des vagues (CLV) et le transport des sédiments dépendent de notre capacité à étudier la CLV in situ sous les vagues naturelles. Tout d'abord, pour résoudre les processus de transport de la CLV, les mesures doivent être effectuées à des résolutions temporelles (O(0,1 s)) et spatiales (O(0,001 m)) élevées. Un système récent, appelé ACVP (Acoustic Concentration and Velocity Profiler), répond à ces exigences. Il consiste en un profileur acoustique bistatique avec un grand angle entre l'émetteur et les récepteurs, permettant de mesurer avec précision la vitesse quasi-instantanée et colocalisée et la concentration de sédiments sur un profil vertical de 10 à 20 cm. De nouvelles techniques d'inversion acoustique ont également été développées, augmentant la fiabilité des mesures acoustiques en termes de concentration et de taille des sédiments. Ensuite, la mesure des non-linéarités des vagues avec une précision suffisante implique de pouvoir reconstruire la forme nette de la surface libre proche de la rupture. Les derniers développements en matière de systèmes stéréo-vidéo et de télédétection tels que le LiDAR, permettant d'enregistrer des surfaces complexes en 3D, font désormais de la mesure de la forme non linéaire des vagues une réalité. Les modèles numériques permettent une étude approfondie des contributions relatives de chaque processus, ce qui est l'un des objectifs généraux de WEST. La modélisation d'un profil cross-shore est désormais accessible via des méthodes de dynamique des fluides numériques. Waves2Foam permet de modéliser correctement la dynamique des CLV sur un fond fixe en considérant les modèles de turbulence traditionnels (k-e ou k-?). SedFoam 2.0, un modèle biphasé avancé dans le cadre d'OpenFOAM, permet d'utiliser soit l'écoulement granulaire turbulent cinétique, soit la rhéologie granulaire dense pour le calcul des contraintes sur les particules. Récemment, un modèle tridimensionnel d'écoulement diphasique pour le transport de sédiments dans des conditions d'écoulement en nappe a été introduit. L'approche LES (Large Eddy Simulation) a été adoptée pour modéliser la turbulence et l'interaction turbulence-particules. Puisque l'influence de la déformation de la surface libre sur la dynamique de la CLV a été démontrée, il est crucial de pouvoir modéliser le champ de vagues lorsqu'on aborde l'accrétion. SedWaveFoam est un nouveau modèle capable de résoudre simultanément les déformations de la surface libre, la CLV et les processus de transport des sédiments dans toute la colonne d'eau, en intégrant SedFoam 2.0 et Waves2Foam dans le cadre d'OpenFOAM. SedWaveFoam est validé à l'aide d'un grand ensemble de données de canal à vagues pour les vagues monochromatiques non déferlantes entraînées par l'écoulement en nappe. Waves2Foam et SedWaveFoam sont les outils de modélisation basés sur les processus les plus avancés permettant d'aborder la dynamique de la CLV et le transport sédimentaire associé sous les vagues. Il est envisagé de tester les deux pour répondre aux objectifs de WEST.

L'objectif global de WEST est d'évaluer les interactions entre les vagues, l'hydrodynamique et la pente du lit conduisant au transport net de sédiments à terre sous les vagues dans la zone de surf. WEST propose une étude approfondie des processus du WBL : son hydrodynamique, le transport sédimentaire et la turbulence induite par le déferlement ainsi que la déformation de la surface libre avant le déferlement en utilisant des techniques de mesure et des méthodes numériques innovantes. Ainsi, en utilisant des approches solides et originales, WEST propose d'aborder des questions scientifiques et technologiques clés par le biais d'approches originales. Au moment de l'achèvement du projet, WEST améliorera notre compréhension des mécanismes d'accrétion des plages, ce qui permettra d'améliorer les modèles morphodynamiques couramment utilisés par les ingénieurs et les praticiens du littoral pour la gestion des zones côtières. Pour atteindre l'objectif à long terme d'améliorer les modèles numériques couramment utilisés pour les études environnementales, la comparaison du modèle d'équations d'eau peu profonde à phase résolue (par exemple Xbeach NH) avec les modèles de type LES et RANSE/VOF qui seront mis en œuvre dans le WP3 est essentielle afin de détecter, et de traiter, les limites des modèles. Puisque les modèles utilisés par les ingénieurs utilisent des formulations empiriques (afin de ne pas résoudre chaque processus et d'avoir un temps de calcul acceptable), l'objectif sera d'améliorer leur paramétrisation et donc leur précision, en accord avec nos résultats, par une meilleure compréhension des processus physiques en jeu et de leurs contributions relatives. Les résultats du WP2 fourniront des connaissances importantes sur la variabilité des non-linéarités des vagues pendant leur propagation sur une plage de sable et les processus de déferlement. Ceci sera particulièrement utile pour aider à quantifier la charge d'impact des vagues sur les structures. De plus, ils pourraient aider à quantifier la variabilité longshore de la surface libre, qui est un mécanisme supposé lié à de nombreux processus littoraux (flash rip, edge wave...), mais jamais observé jusqu'à présent. Ceci sera rendu possible grâce à nos nouvelles mesures précises de déformation de la surface libre en 3D.

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.
Deux projets sont envisagés dans le futur. Le premier impliquerait des chercheurs du SNO DYNALIT et traiterait de l'impact de la rugosité du fond sur la transformation des vagues et l'hydrodynamique de la couche limite. Il est démontré que la rugosité du fond, via le rapport entre l'excursion des vagues et la longueur de la rugosité, a un impact sur l'épaisseur de la couche limite et le régime d'écoulement. L'augmentation de la rugosité implique un déplacement vers la côte du profil d'écoulement. Des instruments (dont l'UB-Lab3C©) seront installés sur différents sites géographiques de DYNALIT présentant des rugosités particulières (platier rocheux au pied des falaises, plages dissipatives à réfléctives...). Un autre projet possible impliquerait toute notre équipe, qui est issue de domaines scientifiques complémentaires (physique, paléontologie, géomorphologie, sédimentologie). Réunir toutes ces compétences pour aborder la durabilité d'un système côtier complexe serait très précieux. Un cas d'étude pourrait être l'Afrique de l'Ouest, où notre équipe a déjà de nombreuses collaborations. La langue de Barbarie, classée au patrimoine mondial de l'Unesco, se trouve à l'embouchure de l'estuaire du fleuve Sénégal et est soumise à une forte dérive littorale et à une houle énergique. Une brèche de 4 mètres a été ouverte dans la langue en 2003 pour contrer d'éventuelles inondations. Cependant, la brèche s'est rapidement élargie et la langue continue de perdre des sédiments. Dix-sept ans plus tard, la brèche s'est élargie à 6 km et la mer a gagné une large bande de terre et a causé la perte de villages en plus des changements dans la flore et la faune. L'utilisation des données de l'Holocène pour comprendre la variabilité passée et l'utilisation des avancées de WEST pour étudier la variabilité à court terme permettront de quantifier un budget sédimentaire précis et d'apporter une percée fiable dans la compréhension de la variabilité de la langue. Ce projet impliquerait également des géographes/économistes experts en évaluation des risques et des physiciens experts en flux estuariens, abordant la durabilité via des approches multidisciplinaires.
Il s'agit de deux projets hypothétiques, mais les progrès réalisés dans le cadre de WEST offriront de nombreuses possibilités d'élaborer un large éventail de projets. Ils pourraient apporter des données de premier ordre pour répondre à des questions d'intérêt : processus de flash rip et transport sédimentaire induit au Bénin, ou impact des vagues sur les falaises. Les avancées techniques, et les SPOC associés, bénéficieront à l'ensemble de la communauté scientifique et technique et favoriseront de nouvelles collaborations internationales.

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.