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Morphogenèse des bancs jouxtant les caps sous l'influence combinée de la marée et de la houle

De Wikigeotech
Guillou et Chapalain (2011).

Nicolas Guillou et Georges Chapalain
Laboratoire de Génie Côtier et Environnement (LGCE)
Centre d'Etudes Techniques Maritimes Et Fluviales (CETMEF)

Mots clés : houle, marée, modélisation numérique, COHERENS, SWAN, MISTRAL



Sommaire

Objectif

Les irrégularités du trait de côte telles que les caps favorisent la création de circulations susceptibles de piéger les flux sédimentaires littoraux et de créer des formes de fond. De grands bancs de 5 à 30 km de long pour 1 à 2 km de large apparaissent ainsi à proximité des caps dans des environnements tidaux sableux (Pattiaratchi et Collins, 1987). Leurs sommets culminent à quelques mètres de la surface. L'étude de ces bancs revêt un intérêt économique car ils constituent des réserves de granulats et des sites de reproduction et d'alimentation de nombreuses espèces marines. Leur évolution conditionne par ailleurs le dimensionnement des chenaux de navigation. Enfin les bancs jouent un rôle de protection naturelle du trait de côte vis-à-vis des tempêtes majeures (Pattiaratchi, 1986). Les observations montrent généralement la présence d'un banc principal situé d'un seul côté du cap. Les bancs de Gay Head au large du Massachussetts (Etats-Unis), de Shambles face à Portland (Royaume-Uni) ou du Levillain (Ouest de l'Australie) illustrent cette situation.


Cette asymétrie a fait l'objet de plusieurs études. Pingree (1978) l'impute ainsi à la force de Coriolis. Selon sa théorie, la résultante du gradient de pression est plus importante dans le cas des tourbillons cycloniques et favorise l'accumulation des sédiments en leurs centres. Signell et Harris (2000) réfutent cette hypothèse sur la base d'une modélisation numérique aboutissant au développement de bancs symétriques. Roos et al. (2004) et Berthot et Pattiaratchi (2006b) ont récemment avancé la nécessité d'inclure les effets de la houle dans la genèse des bancs en drapeau.


La présente étude vise à étudier numériquement les effets combinés de la houle et des courants de marée sur la morphogenèse des bancs à proximité des caps. L'application porte sur un cap de forme gaussienne initialement proposé par Signell et Geyer (1991) et largement repris pour les études numériques de l'hydrodynamique et des transports sédimentaires à proximité des caps (Signell et Harris, 2000; Berthot et Pattiaratchi, 2006b) (Figure 1). Ce travail s'insère dans le projet de recherche sur la morphodynamique des formes de fond à proximité des caps DYACAP de la thématique scientifique et technique "Hydrodynamique Et Réponses des Matériaux Sédimentaires" (HERMES) du LGCE. Une publication scientifique (Guillou et Chapalain, 2011) et un acte de colloque (Guillou et Chapalain, 2010) lui sont consacrés. Des renseignements complémentaires sur ces travaux sont également disponibles sur le site internet du LGCE :  http://www.memphys-lgce.fr.ht/.


Figure 1 : Bathymétrie du cas schématique d'un cap de forme gaussienne.


Modélisation numérique

Les calculs sont réalisés à l'aide de la chaîne MISTRAL (CETMEF-LGCE; Guillou, 2007) couplant des modules
  • hydrodynamiques de circulation tridimensionnelle de marée,
  • de génération, propagation et dissipation de la houle,
  • de transport sédimentaire en charriage et en suspension
  • et d'évolution morphologique.


Le couplage entre les modules de circulation et de houle est restreint aux effets des interactions entre les couches limites de houle et de courant près du fond (Grant et Madsen, 1979).

Les modélisations sont effectuées pour un cap situé à une latitude de 51° N et un paramètre de rugosité du fond fixé à z0=0,003 m (Signell et Harris, 2000). Un courant alternatif sinusoïdal semi-diurne de 0,5 m.s-1 d'amplitude est imposé le long de la frontière ouest du domaine de calcul du module de circulation. Les conditions à la frontière du domaine de calcul du module de houle varient entre les hauteurs hs=0,3, 0,5, 1, 2 et 3 m et les directions nord et nord-ouest (Figure 2). La formation des bancs par suspension est étudiée à partir d'une couverture sédimentaire uniforme de silts de 30 microns de diamètre, la formation des bancs par charriage à partir d'une couverture de sables moyens de 250 microns de diamètre (Signell et Harris, 2000).


Figure 2 : Hauteurs de houle et directions de propagation pour les conditions incidentes de houles de nord de (a) 1 m et (b) 3 m et de nord-ouest de (c) 1 m et (d) 3 m.


Résultats et discussion

La houle favorise les remises en suspension à la tête du cap augmentant les hauteurs des formes de fond qui tendent à migrer le long des flancs (Figure 3). Les houles de nord-ouest conduisent à une morphogenèse asymétrique des bancs favorisant leur développement à l'est du cap dans une zone protégée de la houle incidente. La houle a un impact plus limité sur les développements à court terme des bancs par charriage (Figure 4). Afin de visualiser plus précisément l'influence de la houle, les différences des évolutions par rapport au résultat obtenu pour une houle de nord de 0,3 m sont représentées pour cinq conditions de houle variant entre les hauteurs hs=1, 2 et 3 m et les directions nord et nord-ouest. Les houles de nord accroissent le dépôt au niveau des formes de fond situées de part et d'autre de la tête du cap et dans son prolongement. Les houles de nord-ouest augmentent les quantités de sédiment transportées par charriage du flanc exposé à la partie protégée favorisant le développement initial des bancs à l'est du cap.

Ces modélisations permettent d'appréhender le rôle de la houle à travers son interaction avec le courant en couche limite de fond dans le développement asymétrique des bancs jouxtant les caps. Les perspectives de ces travaux consisteront à étudier les impacts des modifications de la houle par les courants et de la génération des courants en faibles profondeurs. L'objectif final est de pouvoir mettre en œuvre une modélisation long terme réaliste de la formation des bancs dans la continuité des études de Pingree (1978) et Bastos et al. (2004) au banc de Shambles ou de Berthot et Pattiratchi (2005, 2006a) au banc de Levillain.


Figure 3 : Evolutions morphodynamiques liées aux transports en suspension au bout de 10 jours pour les 6 conditions de houle incidente variant entre les hauteurs hs=1, 2 et 3 m et les directions nord et nord-ouest.
Figure 4 : (a) Evolutions morphodynamiques liées aux transports en charriage au bout de 10 jours pour une houle incidente de nord de 0,3 m.(b-f) Différentiels par rapport à ce cas pour les 5 conditions de houle incidente variant entre les hauteurs hs=1, 2 et 3 m et les directions nord et nord-ouest.



Références

  • Bastos, A.C., Paphitis, D., Collins, M (2004). Short-term dynamics and maintenance processes of headland-associated sandbanks: Shambles Bank – English Channel (UK). Estuarine, Coastal and Shelf Science 59 (1), 33-47, 2004.
  • Berthot, A., Pattiaratchi, C. (2005). Maintenance of headland-associated linear sandbanks: modelling the secondary flows and sediment transport. Ocean Dynamics 55, pp. 526-540.
  • Berthot, A., Pattiaratchi, C. (2006a) Field measurements of the three-dimensional current structure in the vicinity of a headland-associated linear sandbank. Continental Shelf Research, 26, 295-317.
  • Berthot, A., Pattiaratchi, C. (2006b). Mechanisms for the formation of headland-associated linear sandbanks. Continental Shelf Research 26, 987-1004.
  • Grant, W.D., Madsen, O.S. (1979). Combined wave and current interaction with a rough bottom. Journal of Geophysical Research 84 (C4), 1797-1808.
  • Guillou, N. et Chapalain, G. (2011). Effects of waves on the initiation of headland-associated sandbanks. Continental Shelf Research, 31, Issue 11, 1202-1213, doi:10.1016/j.csr.2011.04.013.
  • Guillou, N. et Chapalain, G. (2010). Morphogenèse des bancs jouxtant les caps sous l'influence combinée de la marée et de la houle. XIèmes Journées Nationales Génie Côtier-Génie Civil, Sables colonne, DOI:10.5150/jngcgc.2010.035-G.
  • Guillou, N. (2007). Rôles de l'hétérogénéité des sédiments de fond et des interactions houle-courant sur l'hydrodynamique et la dynamique sédimentaire en zone subtidale – applications en Manche Orientale et à la pointe de la Bretagne, Thèse de doctorat de l'Université de Bretagne Occidentale, 469 pp.
  • Pattiaratchi, C.B. (1986). Offshore sandbanks and coastal erosion – implications for the dredging industry. Prince of Wales Comitteee, Gandy M.K. and Williams A.J. Edition, 49-75.
  • Pattiaratchi, C.B., Collins, M. (1987). Mechanisms for linear sandbank formation and maintenance in relation to dynamical oceanographic observations. Progress in Oceanography 19, 117-166.
  • Pingree, R.D. (1978). The formation of the Shambles and other banks by tidal stirring of the seas. Journal of the Marine Biological Association 58, 211-226.
  • Roos, P. (2004). Hulscher, S., Knaapen, M., Damme, R.V. The cross-sectional shape of tidal sandbanks: modeling and observations. Journal of Geophysical Research, 109, F02003.
  • Signell, R.P., Geyer, W.R. (1991). Transient eddy formation around headlands. Journal of Geophysical Research 96 (C2), 2561-2575.
  • Signell, R.P. Harris, C.K. (2000). Modeling sand bank formation around tidal headlands. In: Spaulding, M.L., Blumberg, A.F. (Eds.), 6th International Conference on Estuarine and Coastal Modeling. New Orleans.



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