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Soutenance de thèse en océanographie physique : Mathias DELPEY

Etude de la dispersion horizontale en zone littorale sous l'effet de la circulation tridimensionnelle forcée par les vagues. Application à la baie de St Jean De Luz - Ciboure et au littoral de Guéthary-Bidart.
Quand ? Le 26/11/2012,
de 14:00 à 15:55
Où ? IUEM, salle A215
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Préparée conjointement au sein du centre Rivages Pro Tech de la société Lyonnaise des Eaux
Et du Laboratoire d’Océanographie Spatiale de l’Ifremer

Résumé

Le long de nombreux littoraux, une importante pression anthropique s'exerce aujourd'hui sur la qualité des eaux marines. Cette problématique recouvre de forts enjeux environnementaux et socio-économiques, liés notamment à l’activité touristique. Les régions situées au Sud de la côte Aquitaine reçoivent des niveaux de précipitations très élevés qui, associés à la densification de l’occupation de la bande côtière, font des fleuves et rivières tidales des vecteurs privilégiés de contamination des eaux littorales. Dans ce contexte, la compréhension de la circulation et des processus de dispersion à proximité des plages relève d'un intérêt majeur pour la gestion du littoral. Cependant, la zone littorale possède une dynamique complexe, car elle est le lieu de nombreux phénomènes en interaction (marée, vent, vagues, apports des fleuves, etc.). Ceux-ci s'exercent à des échelles spatiotemporelles variées, et donnent lieu à divers transports de sédiments, d'eau douce, de polluants. Parmi les processus littoraux, la circulation et le mélange induits par les vagues ont un rôle majeur dans les environnements exposés à des états de mer énergétiques, comme la côte Sud Atlantique française. Cette étude apporte des éléments en vue d’une meilleure compréhension de la dynamique des apports terrestres dans la zone littorale en présence de vagues, à l’échelle d’une ou d’un ensemble de plage(s). En particulier, le questionnement scientifique abordé s’inscrit dans la continuité des travaux menés ces 10 dernières années pour développer des modélisations tridimensionnelles (3-D) vagues-courant [e.g., Uchiyama, 2010 ; Bennis et al., 2011 ; Michaud et al., 2012, Roland et al., sous presse, 2012], en vue d’applications à l’étude de traceurs stratifiés, comme le cas de panaches estuariens.

La méthodologie mise en œuvre s’appuie sur l’association d’observations in situ et de la modélisation numérique. Ce travail de thèse a conduit au développement d'un outil de modélisation numérique opérationnelle, associant le modèle spectral d'état de mer WAVEWATCH III® [Tolman, 2002, 2009 ; Ardhuin et al., 2010] et le modèle hydrodynamique 3-D MOHID Water [Martins et al., 2001 ; Braunschweig, 2004]. Le code MOHID a été étendu à une représentation 3-D des interactions vagues-courant, basée sur l’approche glm2z proposée par Ardhuin et al., [2008b]. Le présent travail propose un exposé rassemblant et détaillant l’ensemble des développements théoriques permettant l’obtention des équations glm2z à partir des équations de Navier-Stokes en moyenne de Reynolds (RANS). Puis l’implémentation numérique des équations glm2z au sein de MOHID Water et l’articulation avec le modèle d’état de mer sont décrites. L’outil de modélisation ainsi construit permet une représentation 3-D du courant et du transport de propriétés de l’eau, incluant la structure verticale de la quantité de mouvement, du forçage et du mélange associés aux vagues. Cet outil est validé sur deux cas académiques de référence, proposés par Bennis et al. [2011] et Haas & Warner [2009]. Le modèle produit une solution cohérente avec celle présentée par ces auteurs. Le cas test adiabatique de Bennis et al. [2011] permet d'analyser la réponse de l'écoulement moyen à une divergence/convergence de la dérive de Stokes. La configuration de Haas & Warner [2009], mettant en jeu des vagues d'incidence oblique déferlant sur une plage plane, permet de mettre en évidence la capacité du modèle à représenter un courant de retour dans la direction cross-shore (undertow) et une dérive littorale dans la direction longshore. La structure verticale de l'écoulement obtenu ici est en bon accord avec celle décrite par Uchiyama et al., [2010] dans cette même configuration.

Deux configurations littorales réalistes sont ensuite étudiées : la baie de Saint Jean de Luz – Ciboure (SJDLC) et la plage de l’Uhabia à Bidart. Les deux sites ciblés sont localisés dans l'environnement énergétique de la côte Sud Atlantique française, tandis qu’ils reçoivent également d'importants apports terrestres en cas de fortes précipitations. La qualité de l'eau dans ces zones est en grande partie liée à la dispersion de ces apports à proximité des plages. Les deux sites correspondent cependant à des configurations bien distinctes:

-          la baie de SJDLC est une zone semi-protégée, où les courants induits par la marée, le vent et les vagues peuvent être significatifs;

-          la plage de l'Uhabia à Bidart est une zone dominée par l'action des vagues et du vent, complexifiée par une bathymétrie significativement hétérogène dans la direction longshore.

Dans ces deux zones, les apports des rivières sont susceptibles d'engendrer une stratification notable de la colonne d'eau. Celle-ci confère à la dispersion des eaux douces un caractère fortement 3-D, qui justifie l'intérêt porté ici à la structure verticale de l'écoulement. L’étude de ces configurations littorales complexes s'appuie sur les campagnes d'observations in situ du projet LOREA (Littoral, Ocean, Rivers in Euskadi Aquitain). Ces déploiements regroupent des mesures conjointes de vagues, de courant et de salinité. Des observations Eulériennes du courant ont été réalisées (réseau de courantomètres installés sur le fond), ainsi que des mesures Lagrangiennes des courants de surface, acquises à l’aide de flotteurs dérivants. Dans la baie de SJDLC, la confrontation du modèle aux données in situ montre qu’un accord quantitatif est encore difficilement obtenu dans cet environnement très complexe. Néanmoins, plusieurs processus mis en avant par la modélisation fournissent des éléments de compréhension utiles. En particulier, le modèle 3-D reproduit raisonnablement la stratification haline observées, et permet pour la première fois l’étude de l’effet des vagues sur la dispersion 3-D des eaux douces au sein de la baie de SJDLC. La modélisation suggère un effet significatif des vagues sur les panaches estuariens, qui peut impacter la vidange globale de la baie à l'échelle d'un épisode de précipitations. Le site de la plage de l'Uhabia a quant à lui permis l'étude de la circulation intense induite par les vagues au-dessus d'un système barre/chenal. La combinaison des données in situ et de la modélisation 3-D permet de caractériser plusieurs composantes de la dynamique, notamment un intense courant d’évacuation généré par les vagues dans le chenal situé en face de la plage. Une première investigation de la dispersion des eaux douces, introduites par une rivière dans la zone de déferlement, est proposée. Celle-ci suggère un rôle important du courant d’évacuation dans le chenal pour le transport des apports terrestres vers le large. Au large du déferlement, une stratification haline remarquable est mise en évidence. Cette stratification s’installe malgré le fort mélange vertical attendu dans la zone de déferlement, où transitent initialement les eaux douces. Bien que l’effort de modélisation doive encore être poursuivi sur ces configurations réalistes complexes, le modèle 3-D vagues-courant développé dans ce travail de thèse offre des perspectives intéressantes en tant qu’outil d’analyse des processus de dispersion dans la zone littorale.

Photo du mois

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(C) Pascale Lherminier / Ifremer