Numerical modelling of sand-mud mixtures settling and transport processes : application to morphodynamic of the Gironde estuary (France)
Modélisation du transport de sédiments mixtes sable-vase et application à la morphodynamique de l'estuaire de la Gironde (France)
Résumé
This study attempts to model sediment transport rates and the resulting bed evolution in a complex estuarine environment: the Gironde estuary, characterized by a high hetereogeneity in the sediment bed composition, with the presence of both cohesive and non-cohesive sediments and sand/mud mixtures. Our main objective is to extend an existing 2D morphodynamic model developped by Huybrechts et al (2012b) for non-cohesive sediments, to account for the presence of mud and to draw some preliminary step for a fully mixte sediment morphodynamic model. Our framework is the finite element Telemac system (release 6.1), where the two-dimensional (depth averaged) approach has been selected for large scale and medium term simulations.The first part of this work is devoted to the understanding of sedimentation-consolidation processes for pure mud, combining laboratory experiments and 1D vertical models. Cohesive processes are then integrated in the 2D (depth-averaged) large scale morphodynamic model of the Gironde estuary developed by Huybrechts et al. (2012b). Erosion/deposition experiments were performed at the RWTH laboratory (University of Aachen, Germany) to calibrate the erosion and deposition law parameters. Moreover, the effect of consolidation is taken into account through the implementation of a 1DV Gibson-based sedimentation-consolidation model (Thiebot et al., 2011) using analytical closure equations for permeability and effective stress. Special attention is paid to the initialisation of the bed structure. Comparisons between measurements and model results are achieved on both suspended sediment concentration records and on medium term (5-year) bed evolutions.In the second part, a new 1DV model for the hindered settling of sand-mud mixtures has been developed based on the background of non-cohesive bi-disperse models. The numerical solution has been constructed by considering a high-order of accuracy in space via a Weighted Essentially Non Oscillatory (WENO) reconstruction technique and in time via a local space-time Discontinuous Galerkin (DG).The model is then validated against a large range of experimental data (mono-disperse sand, mud, non-cohesive bi-disperse and non-cohesive/cohesive mixture)
Cette étude tente de modéliser les taux de transport de sédiments et l'évolution du lit dans un milieu estuarien complexe : l'estuaire de la Gironde, caractérisé par une grande hétérogénéité dans la composition des sédiments de lit, avec la présence de sédiments cohésifs et non-cohésifs ainsi que des mélanges sablo-vaseux. Notre objectif principal est d'étendre un modèle morphodynamique 2D développé par Huybrechts et al. (2012b) pour les sédiments non-cohésifs, afin de tenir compte de la présence de la vase et d'établir une étape préliminaire pour un modèle morphodynamique de sédiment mixte. Notre cadre est le système Telemac (version 6.1) où l'approche bi-dimensionnelle a été sélectionnée pour des simulations à grandes échelles spatiales (150 km) et moyen terme (5 ans).La première partie de ce travail est consacrée à la compréhension des processus de sédimentation-consolidation de la vase pure, en combinant expériences et modèles 1D verticaux. Les processus du sédiment cohésif sont ensuite intégrés dans le modèle morphodynamique de l'estuaire de la Gironde. Des expériences d'érosion et de dépôt ont été réalisées au laboratoire RWTH (Université d'Aachen, Allemagne) pour calibrer les paramètres des lois d'érosion et de dépôt. En outre, l'effet de la consolidation est pris en compte à travers la mise en œuvre d'un modèle 1DV de sédimentation et consolidation basé sur la théorie de Gibson (Thiébot et al., 2011) en utilisant des équations de fermeture analytique pour la perméabilité et la contrainte effective. Une attention particulière est accordée à l'initialisation de la structure verticale du lit sédimentaire. Les mesures et les résultats du modèle sont comparés pour les concentrations des sédiments en suspension et pour l'évolution de fond en moyen terme (5 ans).Dans la deuxième partie, un nouveau modèle 1DV pour la sédimentation entravée des mélanges sablo-vaseux a été développé sur la base des modèles de bi-disperse non-cohésifs. La solution numérique a été réalisée en prenant en considération un schéma de haute précision dans l'espace par la technique de reconstruction WENO et en temps par un Discontinue de Galerkin local (DG). Le modèle est ensuite validé par rapport à une large gamme de données expérimentales (mono-disperse sable, vase, non-cohésif bi-disperse et le mélange non-cohésif/cohesif)
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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