Techniques de modélisation pour le littoral
Estuaire de la Mersey
1. Introduction
Dans un premier temps, nous souhaitions travailler sur le bassin d'Arcachon et avions comme projet un agrandissement du port d'Arcachon avec comme optique de modéliser cet agrandissement afin de voir l'impact que peut avoir un tel projet sur l'hydrodynamique (courant, sédimentologie, pollution). Malheureusement des problèmes avec le logiciel Telemac-2D ne nous ont pas permis de réaliser notre étude sur ce bassin. Nous nous sommes donc retourner vers le 2ème sujet qui porte sur l'estuaire de la Mersey en Grande-Bretagne. Nous allons essayer de transposer notre projet d'extension du port sur la Mersey avec comme objectif de réaliser une étude d'impact sur ce projet.
La Mersey est formée de 3 affluents le fleuve Etherow, la Goyt river et la Tamise. Les villes principales sont Liverpool, Sefton, Saint Helens et Knowsley. Un tunnel ferroviaire et deux tunnels routiers franchissent l'estuaire. Les activité portuaires tiennent une grande place dans le Merseyside, surtout à Liverpool. Le Merseyside était une région très industrialisée, chimie, chantiers navals et rafinerie de métaux. Mais ces activités traditionnels sont en déclins. C'est l'une des rivières les plus polluées d'Europe. Le trafic maritime est important dans l'estuaire donc nous avons choisi de réaliser une extension du port sur la rive Sud de la Mersey sur les côtes de la ville de Wallasey. Cela sera notre sujet d'étude en plus de l'observation de la courantologie de l'estuaire. Comme sujet de second secours, nous essayerons de répondre à une problématique qui affecte tous les ports : l'envasement important et la nécessité de réaliser des dragages réguliers afin de maintenir une profondeur respectable pour les bateaux.
2. Logiciels utilisés: Matisse, Telemac-2D et Rubens
3. Réalisation du projet de base
3.1 Définition de l'estuaire de la Mersey avec Matisse
Nous avons créé un projet matisse dans lequel le logiciel va stocker les fichiers de travail. Nous avons sélectionné un projet vide avec une précision de 1.e.-03. Ensuite on a importé (Importer lignes/points) les données bathymétriques de l'estuaire de la Mersey, dans le logiciel Matisse. La bathymétrie est représentée par un ensemble de points. Il est nécessaire de créer les frontières amont et aval du domaine ainsi que les rives Sud et Nord.
Figure 1: Représentation des points bathymétriques de la Mersey. |
Le mode "ligne géométrique" nous permet de créer une ligne entourant les points de la bathymétrie qui nous intéressent et de définir le domaine.
Nous pouvons la voir représentée sur la figure 2. Nous avons projeté la ligne afin de créer automatiquement des points intermédiaires entre les points qui ont servi à faire la ligne,
ce qui permet de modéliser correctement la bathymétrie le long de la ligne de contour. Enfin la ligne présente des angles qui peuvent poser des problèmes lors des étapes suivantes
c'est pourquoi nous définissons des points durs qui caractérisent des points "anguleux" (figure 3).
Figure 2 : Création du contour du domaine. |
Figure 3 : Création des points durs. |
Le mode MNT (Modèle Numérique de Terrain) nous a permis de définir des critères qui sont des informations numériques associées à chaque point et que Matisse va interpréter comme étant la taille de la maille à créer à l'endroit du point. Nous allons tout d'abord créer un critère global : taille de maille 300 sur tout l'estuaire de la Mersey. Nous obtenons un nombre de mailles trop important (entrainant une durée de calcul trop importante, cependant nous avons à faire un compromis entre la précision apportée par une maille fine et un grand nombre de noeuds et des mailles plus larges, en perdant de l'information mais nécessitant moins de temps de calcul. Dans notre étude, environ 5000 noeuds suffisent largement.
Nous optons donc pour une taille de maille de 270 ce qui nous donne 4707 noeuds.
Nous pouvons voir la réalisation des critères sur la figure 4 et le maillage en éléments finis sur la figure 5.
Figure 4 : Création des critères. |
Figure 5 : Génération du maillage. |
Une fois le maillage généré et que celui-ci soit correct (Actions/Vérifier maillage), nous avons créé le fichier de géométrie qui comprend le domaine et les critères que nous venons de décrire.(Que l'on peut retrouver ICI)
La dernière étape sous le logiciel Matisse est la réalisation des conditions aux limites. En effet, jusqu'à présent nous n'avons créé qu'un fichier de géométrie sur lequel il n'est pas encore possible de travailler dessus. Nous avons défini des groupes de points correspondants aux différentes frontières (figure 6) que nous voulons définir à savoir:
Les points aux limites de 2 groupes sont sélectionnés dans les 2 groupes et sont "incorporés"
Figure 6 : Définition des frontières. |
À ces groupes sont associés des entités que nous avons défini en fonction de ce que nous voulons faire de groupes créés. Nous en avons défini 3:
Nous avons associé les groupes amont, aval et dur aux entités respectives: débit, niveau et parois car nous souhaitons imposer une hauteur d'eau en aval, hauteur dictée par
la marée et un débit en amont correspondant au débit fluvial qui arrive dans l'estuaire.
Le réalisation des conditions aux limites est finie, nous pouvons générer le fichier des conditions aux limites et fermer le logiciel. (que l'on peut retrouver ICI)
3.2 Calculs avec Telemac-2D
Pour réaliser les calculs avec le logiciel Telemac-2D, il faut éditer le fichier des paramètres afin que le logiciel puisse prendre en compte d'une part, l'environnement informatique d'autre part les options générales,
contidions initiales et aux limites, les options numériques et les caractéristiques du traceur.
Dans le cadre de notre étude, nous avons choisi un pas de temps de 10 secondes ce qui est un bon compromis entre temps de calcul et taille des mailles et vitesses des courants. Si notre pas de temps
était trop important, on aurait été sanctionné par une explosion numérique avec une valeur de la vitesse aberrante (qui correspond à un saut de maille lors du calcul à cause d'une vitesse trop importante
et d'un pas de temps trop grand).
Nous avons imposé une durée de calcul de 129 600 secondes ce qui correspond à 36h et une période pour les sorties graphiques de 180 secondes. Cette période permet d'enregistrer les valeurs toutes les
180 x 10 = 1800 secondes soit toutes les 30 minutes. Cela évite d'exploiter tous les résultats ce qui n'est pas concevable.
Des résultats toutes les 30 minutes nous semblent intéressant afin de réaliser la simulation des courants au cours des premières marées.
Pour une autre partie de notre étude, nous avons opté pour une période pour les sorties graphique de 360 en gardant le même pas de temps afin d'obtenir des résultats toutes les heures
et nous avons mis comme durée de calcul, 518 400 secondes afin d'avoir des résultats à plus long terme (6 jours).
Telemac-2D propose de nombreux paramètres tels que les frottements sur le fond, le vent et d'innombrable options supplémentaires mais toutes ces options de TELEMAC-2D ne seront pas utilisées
dans notre étude réalisée, celle-ci étant simplifiée afin de limiter les temps de calcul tout en gardant des résultats acceptables.
Notre fichier cas.txt est consultable ICI.
3.3 Affichage de la simulation avec Rubens
Nous avons créé une image animée (figure 7) que nous trouvons plus parlante afin de représenter la variation de l'intensité et de la direction des courants au cours de nos 36h.
Ici nous ne nous intéressons qu'au courant car nous souhaitons d'une part, arriver à localiser un lieu pour l'extension du port ou de son implantation
Figure 7: Evolution des courants dans l'estuaire de la Mersey pour une marée en début de simulation |
3.4 Conclusion
Tout d'abord, notre maillage à 4707 noeuds semble un peu brouillon pour pouvoir bien apprécier les lignes de courant. Cependant nous pouvons tout de même bien voir l'effet marée
qui se propage dans l'estuaire.
Les 2 premières images sont à nuancer car nous sommes en début de simulation et nous savons que, avec les conditions initiales qui sont imposées dans les calculs (fluide au repos, surface plane, sédiment homogène
et réparti uniformément), on se place donc e ndébut de simulation dans le cas ou il n'y avait rien avant le début des calculs, donc il faut que le système se mette en place et s'affine
en fonctionnant. Normalement le système prend plusieurs jours pour se mettre en place et se corriger mais cela dépend entre autre du pas de temps.
On remarque que le maximum de courant se trouve au niveau du goulot d'étranglement qui se trouve au centre de notre domaine, que l'intensité du courant varie selon l'état de la marée (en montant elle est
plus importante qu'en descendant) et que les vitesses maximales sont observées en amont et en aval de ce goulot (respectivement en marée montante et descendante).
On observe un décalage entre les vitesses maximales et l'heure de la marée (qui devrait se retrouver durant les 3ème et 4ème heures de marée) qui se retrouve environ 30 minutes plus tard.
Ceci est dù à l'inertie des masses d'eaux qui rentrent en mouvement et l'onde de marée qui s'engouffre dans l'estuaire.
L'intensité du courant est proportionnelle à l'amplitude de la marée.
Le courant est faible à l'intérieur de la baie de la Mersey ainsi que dans le bassin Sud intérieur de l'estuaire. On peut supposer qu'il y a une sédimentation des matières en suspension dans ce bassin
et certainement la création d'un bouchon vaseux à cet endroit avec remise en suspension lorsque les courants le permet. De plus, comme nous l'avons dit lors de l'introduction,
la Mersey est fortement polluée et nous le savons, dans les bouchons vaseux il y a adsoprtion et précipitation des polluants qui se retrouve dans la "crème de vase".
Notre situation d'implantation du port se fera sur la rive Sud de l'embouchure de la Mersey, lieu proposant des courants modérés favorables aux manoeuvres des bateaux.
4. Réalisation du projet d'implantation du port
Figure 8: Projet de modification de la rive Sud de l'estuaire de la Mersey (source google-map.fr) |
Une extension du port de Liverpool a été créer à l'extérieur de l'estuaire de la Mersey sur la rive Sud, au niveau de la ville de Wallasey (figure 8). Cette extension fait 2 km de long, elle est composée d'une digue protégeant un bassin d'environ 100 hectares en eaux peu profondes (nous n'avons pas touché à la bathymétrie même si dans la réalité le bassin et les accès seraient creusés). Le bassin est ouvert par 2 accès, l'un situé sur l'estuaire de la Mersey, l'autre sur l'extérieur. Le positionnement géographique de cette extension permet un accès facilité par rapport aux bassins existants sur la rive Nord du coté de Liverpool par lesquels les entrées se font en remontant la Mersey d'amont en aval. On peut le voir sur la figure 7 que dans ce goulot d'étranglement, les vitesses des courants sont maximales entraînant des risques d'accidents lors d'un agrandissement du trafic lié à un agrandissement du port. C'est pourquoi nous avons choisi ce positionnement malgré la contrainte bathymétrique. Nous allons donc voir les modifications en terme de courantologie et d’émission de polluant associé à l'exploitation d'un port industriel. Cette étude représente donc une étude d'impact quand à l'extension d'un port de commerce avec les hypothèses associées à l'utilisation du logiciel TELEMAC 2D, le fonctionnement en 2DH qui utilise les axes x et y et qui intègre sur la profondeur. De plus on a émis des hypothèses en début de simulation et nos résultats sont donc valables pour les hypothèses posées (comme par exemple on ne prend pas en compte la rugosité, viscosité en pleine eau etc...) La modélisation de la modification du trait de côte engendré par l'extension du port est représenté sur la figure 9, elle a été obtenu par modification du contour (Actions/Déplacer...), des points durs ont été créés afin de définir les points anguleux. La digue extérieur a été créé par une ligne dont les points ont été rejoints (interpoler). Nous avons ensuite projeté la ligne afin de créer automatiquement des points intermédiaire ce qui permet de modéliser correctement la bathymétrie le long de la ligne/digue créée et sur celle des contours du trait de côte modifié que l'on peut voir sur la figure 9. (Action/Projeter ligne)
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Figure 9 : Modélisation de l'extension du port avant (gauche) et après (droite) la projection des lignes.
Nous avons ensuite imposé un critère afin que Matisse puisse créer une taille de maille précise (300 à l'extérieur de la zone d’intérêt, et 100 à l'intérieur), nous avons un nombre de points de 7439. L’intérêt de faire un maillage variable est d'avoir une meilleure précision dans la zone d'étude et donc de pouvoir affiner les calculs sans perdre de l'information sur la zone d'importance (ici, les alentours du port créé). Nous pouvons voir le rendu de ce maillage sur la figure 10. Le maillage est vérifié via l'option :Actions/Vérifier maillage, celle-ci nous dit qu'il est correct. Enfin, à ce stade, nous avons créé un fichier de géométrie qui contient et définit le domaine (contour, bathymétrie, maillage). (LIEN ICI pour le fichier de géométrie)
Figure 10: Maillage de la zone d'extension du port à taille de maille variable. |
Enfin nous avons créé nos conditions aux limites comme fait dans le cadre de l'étude simple de la Mersey sans modification. La seule modification apporté est la prise en
compte de la digue comme élément faisant partie de ce qui est considéré comme groupe : 'dur' ayant l'entité 'paroi' avec comme paramètres pour cette entité : « Glissement:H, U, V, T. »
(les conditions ont du être toutes refaites suite à la modification des contours, les nœuds en communs sont incorporés).
L'association groupe-entité a été faite de la même manière que pour le projet de l'étude simple de la Mersey. La figure 11 présente les conditions aux limites pour notre étude.
Figure 11: Définition de nos conditions aux limites pour notre domaine d'étude.
Enfin nous avons généré un fichier des conditions aux limites que l'on peut retrouver ICI.
Les calculs ont été réalisés avec Télémac 2D avec le fichier cas.txt similaire à celui de l'étude simple, en modifiant uniquement ces 2 lignes :
Malgré les vérifications, les remodifications des contours, les essais avec différentes tailles de maille et différentes conditions aux frontières, il semble qu'il y ait un problème
avec le logiciel comme nous avions eu un problème avec Arcachon, au moment des calculs, le volume d'eau dans le domaine ne varie pas en fonction des paramètres du fichier des frontières
liquides comme cela marchait dans notre étude simple. Il n'y a pas de variation de la hauteur d'eau imposée par le fichier
'liquide15jours.dat' (et via l'entité 'niveau' pour
laquelle la seule valeur imposée été H) et donc nous avons un volume d'eau dans notre domaine d'étude qui est constant en fonction du temps (figure 12) donc nous ne pouvons pas réaliser d'études de
courantologie et de sédimentologie comme nous le souhaitions pour ce projet là.
Il semble que la modification de la bathymétrie entraîne une 'fuite' ou un problème dans la réalisation des calculs de Télémac 2D.
Nous allons donc changer de sujet et essayer de voir les effets de la création d'une buse d'évacuation continuelle des boues des différents bassins présents sur la berge Nord de
l'estuaire de la Mersey.
Pour cela nous allons reprendre notre ficher de l'étude simple sur lequel nous allons rajouter un traceur à l'endroit ou nous voulons implanter la buse afin de réaliser une modélisation
du panache des boues qui seront relarguées dans l'océan et d'essayer de voir si l'emplacement que nous avons choisi est judicieux.
Figure 12: Capture d'écran de la fin du calcul de Telemac-2D sans différence de volume |
5. Simulation des rejets de vases des bassins du port de Liverpool via une buse.
5.1 Présentation du projet
L'envasement est un problème récurrent pour les infrastructures portuaires. Le port de Liverpool possède de nombreux bassins interconnectés entre eux dont les entrées se font d'amont en aval,
n'échappe pas à ces problèmes d'envasement. Une solution serait d'effectuer un dragage en continue des vases porturaires et de les relarguer hors de l'estuaire via une buse (figure 13).
Nous verrons dans un premier temps l'effet du panache en cas d'un relargage continuel.
Figure 13: Localisation du projet de création d'une buse d'extraction des vases portuaires. |
5.2 Dévasage et relargage en permanence
Pour ce faire, nous avons repris le fichier de géométrie et celui des conditions aux limites de notre projet de base et nous avons édité le fichier cas.txt
en rajoutant les lignes suivantes afin de placer un traceur qui représentera notre relargage vaseux au niveau de la buse:
Ces paramètres servent tout d'abord à Telemac-2D à calculer un traceur, les coordonnées de l'endroit où nous souhaitons le mettre, sa valeur initiale ainsi que son débit
et enfin le type de solveur utilisé (ici : gmres).
Une fois le calcul effectué, nous avons utilisé Rubens afin d'afficher les surfaces colorées liées à notre traceur. Nous pouvons voir sur la figure 14 le début du panache au début de la simulation
jusqu'au bout de 36 heures (chaque image correspond à 30 minutes) puis sur la figure 15 nous présentons la suite de l'évolution du panache mais cette fois représenté 1 fois / heure et ce du jour 3.5 au jour 6 de notre simulation.
Figure 14: Animation de l'évolution du panache de vase simulé par un traceur du temps t=0s au temps t=127800s (1.5jours) 1 image/30 minutes |
Figure 15: Animation de l'évolution du panache de vase simulé par un traceur du temps t=306000s (3.5jours) au temps t=518400s (6jours) |
Nous remarquons que le panache de vase dù au rejet via la buse remonte dans l'estaire en longeant la rive Nord sur laquelle sont situés les bassins que nous cherchons à draguer et ce dès la première marée montante.
Nous pouvons remarquer qu'il y a une dillution de ce panache lors de la montante dans l'estuaire, ce panache s'étirant dans le goulot d'étranglement à cause des fortes vitesses de courants que nous avons pu observer
dans la figure 7. De plus, même si l'étude se termine au bout de 6 jours, nous remarquons la mise en place doucement d'un front vaseux qui sépare complètement les eaux estuariennes de celles océaniques.
Ce front peut représenter une véritable barrière pour les espèces migratrices même si la pollution qui est décrite pour la Mersey peut être déjà une frontière infranchissable.
À long terme on peut supposer qu'il y aura un bouchon vaseux que l'on commence à observer aux temps 435600, 457200, 482400 et 504000 correspondant au plus grande concentration de notre traceur.
Ces concentrations tendront à s'unifomiser et à augmenter et nous pourrons observer un balancement d'amont en aval de l'estuaire au rythme des marées
6. Conclusion générale.
Comme on peut le voir, notre projet a régulièrement évolué en fonction des contraintes dues à la manipulation des logiciels et afin de rendre un projet qui soit le plus complet possible.
L'étude préliminaire nous a permis d'observer les courants qui évoluent dans l'estuaire en fonction des marées, les vitesses les plus élevées étant relevées durant les marées montantes ce qui est normal car
un grand volume d'eau s'engouffre dans l'estuaire et vu que l'on réduit la section de passage en gardant une profondeur quasiment égale, la vitesse augmente pour garder un débit constant (Débit = Section * Vitesse).
L'étude de l'hydrodynamisme peut nous renseigner sur les lieux de sédimentation et les lieux d'érosion, la dispersion d'une source de pollution.
Cependant, la principale limitation du logiciel Telemac-2D c'est qu'il fonctionne en 2DH c'est à dire en x, y et il intègre sur la profondeur, cela signifie qu'il calcule une moyenne sur la hauteur et donc on suppose que le
milieu est bien mélangé, or dans notre étude sur la buse, nous aurions souhaité savoir si il y avait sédimentation des particules de vases lors des étales, ce qui est le cas dans les estuaires
avec les bouchons vaseux et de leurs remise en suspension à chaque mouvement de marée. C'est pour cela qu'on observe un effet cumulatif du panache issu de la buse car il n'y a pas de sédimentation ou de dilution à proprement
parlé.
La création d'une buse de dévasage qui fonctionne en continu ne semble pas être une bonne solution pour un dévasage à long terme car les sédiments libérés reviennent à l'intérieur de l'estuaire,
réamenant de ce fait une partie de ce qui a été évacué.
Une solution à tester est de placer la buse juste à l'extérieur de l'estuaire, à un endroit où le courant est maximal, et de réaliser le dévasage que les 3 premières heures de la marée descendante afin que les particules soient diluées et
entrainées plus au large de l'estuaire et qu'il y ait sédimentation car on remarque sur la figure 7 que le courant est rapidement faible en s'éloignant de quelques kilomètres de l'embouchure de l'estuaire.
C'est un procédé qui est déjà utilisé par le port de plaisance de La Rochelle / Les Minimes que l'on peut voir sur la figure 16.
Même si notre projet d'étude d'impact de la modification/extension de port n'a pas été possible pour les raisons évoquées précédement, les études annexes ainsi que les problèmes dont nous avons du faire
face nous ont permis de réfléchir sur la manière et les raisons de ces dysfonctionnements et nous avons donc pu apprendre à réaliser une première étude d'hydrodynamisme avec le maniement d'outils
informatiques servant à la modélisation numérique.
Nous serions intéressés pour travailler sur les pertuis d'Antioche et Breton car il semble exister un fichier bathymétrique exploitable de cette zone, nous sommes en cours de recherche afin de l'obtenir.
Figure 16: Système de dévasage du port de plaisance de La Rochelle à marée descendante |