Thèse Année : 2017

Modeling of sediment transport related to floods and storms at the mouth of the Rhone

Modélisation du transport sédimentaire lié aux crues et aux tempêtes à l'embouchure du Rhône

Résumé

The coastline of the Rhône delta (Mediterranean Sea, south of France) is in degradation since several decades, includingthe vicinity of the Grand Rhône river mouth, which is surprising in a deltaic area. A better knowledge of the processes ofsediment transfer from the river to the sea is therefore necessary to understand the factors influencing beaches erosionfor this micro-tidal sea. For this purpose, a numerical high-resolution hydro-sedimentary transport modelling (Delft3D) wasapplied for the first time to this area. The model was calibrated taking into account the hydrodynamic and morphologicalobservations, and a particular attention was paid to storm and flood events that are the main morphological forcings. Theanalysis of historical data (1979 to 2010) shows that storms constitute 96% of the events occurring at the mouth of theGrand Rhône river, and 70% of them correspond to south-eastern storms. Twenty percent of the storms are followed by aflood, and the temporal succession of these two events is of great relevance in the organization of sediment transport,because it regulates their respective importance. Consequently, sediment transport scenarios with different wave and riverflow conditions have been tested. The results show that sediment transport to the river outlet is only controlled by the river,while on the mouth-bar it varies according to the paroxysm of each event, inducing a morphosedimentary equilibriumwhich controls the dynamic of this mouth-bar. Sediment inputs from a flood can be exported seaward only if the flood isenergetic enough compared to the intensity of the storm. This limitation is partly due to the processes of wave blockingand hydraulic groyne effect, as well as to the distance of the mouth-bar compared to the outlet. Sediment transfer to thebeaches is controlled by waves but fed by the riverine sediment. Longshore transport begins from the mouth-bar andproceeds to the beaches on either side of the deltaic lobe for SE and SSW sector waves. For waves of WSW, it existsonly along the western side of the lobe (Piemanson beach) and in the direction of the East. This transfer between the lobeand the adjacent coastlines is discontinuous in time, with zone of temporary deposition (zone relais) located on the flanksof the underwater levees. These zones allow the deposition and remobilization of sediments during different events, andprobably also during the rest of the time. Finally, the role of the morphology on currents was studied by simulating eventseffectively observed on a reconstructed bathymetric grid of 1955. These scenarios, compared to those obtained with thepresent bathymetry, emphasize the essential role of morphology. They highlight that, in 1955, the shorter distance frommouth-bar to the coast, its depth and the absence of sandy mouth spit at the outlet favoured the transfer of riverinesediments to the open sea. At the same time, stronger currents in the channel permitted higher sedimentary inputs andimproved the feeding of the beaches compared to nowadays.This work demonstrates the importance of the organization of coupled hazard (storm and flood) on sediment transport ona deltaic area. When one of this forcing is able to take over, this could modify the sedimentary balance of the two eventsand potentially the morphology of the mouth. This equilibrium between river and marine dynamics regulates the one of themouth-bar, and more indirectly those of the neighboring beaches.

Le delta du Rhône (Méditerranée) connaît une dégradation de son littoral depuis plusieurs décennies y compris àproximité de l’embouchure ce qui peut sembler paradoxal en zone deltaïque. Une meilleure connaissance des processusde transfert sédimentaires depuis le fleuve à la mer est donc nécessaire pour mieux comprendre l’érosion des plagesdans cette mer microtidale. Dans cet objectif, un modèle numérique de transport hydro-sédimentaire à haute résolution(Delft3D) a été appliqué à cette zone pour la première fois. Le modèle a été calibré en tenant compte des observationshydrodynamiques et morphologiques, et une attention particulière a été accordée aux événements de tempête et de crue,principaux moteurs morphologiques. L'analyse des données historiques (1979 à 2010) montre que les tempêtes sontimpliquées dans 96 % des événements que connaît l’embouchure du Grand Rhône, et qu’elles sont représentés à 70 %par des tempêtes du sud-est. Ces analyses indiquent aussi que 20% de ces tempêtes sont suivies d'une crue. Lasuccession temporelle de ces deux événements a une grande importance dans l’organisation du transport sédimentairecar elle régule leur importance respective. Par conséquent, des scénarios de transport sédimentaire avec différentesconditions de houle et de débit du fleuve ont été testés. Les résultats montrent que le transport sédimentaire à l’exutoiren’est contrôlé que par le fleuve, tandis que sur la barre d’embouchure il varie en fonction du paroxysme de chaqueévénement et induit un équilibre morphosédimentaire qui contrôle la dynamique de cette barre d’embouchure. Les apportsfluviaux d’une crue ne peuvent être exportés vers le large que si cette crue est suffisamment énergique par rapport àl'intensité de la tempête. Cette limitation est en partie due à des processus de wave blocking et d’hydraulic groyne effectainsi que la distance de la barre d’embouchure. La redistribution des sédiments vers les plages est contrôlée par lesvagues mais est essentiellement alimentée par le fleuve. Le transport longitudinal démarre de la barre d’embouchure etse dirige vers les plages de chaque côté du lobe deltaïque pour des vagues de secteur SE et SSW. Pour des vagues deWSW, il n’existe que le long de la plage de Piémanson en direction de l’Est. Ce transfert entre le lobe et les plages seréalise de manière discontinue, par l’intermédiaire de zones de relais situées sur les flancs des levées subaquatiques.Ces zones relais permettent le dépôt et la remobilisation des sédiments au cours des différents événements, maisprobablement aussi sur le reste du temps. Enfin, le rôle de la morphologie sur les courants a été abordé en simulant desévénements réellement observés sur une morphologie de 1955. Ces sorties, comparées à celles obtenues avec labathymétrie actuelle, soulignent le rôle essentiel de la morphologie, faisant ressortir qu’en 1955, la proximité de la barred’embouchure à la côte, sa profondeur et l’absence de flèche sableuse à l’exutoire du fleuve favorisaient la libération desédiments en mer. En même temps, les courants plus importants dans le chenal permettaient des apports sédimentairesplus importants et une meilleure alimentation des plages qu’aujourd’hui.Ce travail de thèse fait ressortir l’importance de l’organisation de l’aléa couplé (tempête et crue) sur le transportsédimentaire, l’un des forçages pouvant prendre le dessus et modifier le bilan sédimentaire de l’événement, etpotentiellement la morphologie de l’embouchure. Ce rapport de force entre les dynamiques fluviales et marines régulecelle de la barre d’embouchure et plus indirectement celles des plages rhodaniennes.

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Citer

L. Boudet. Modélisation du transport sédimentaire lié aux crues et aux tempêtes à l'embouchure du Rhône. Sciences de l'environnement. AMU - Aix Marseille Université; École Doctorale des Sciences de l’Environnement (ED251), 2017. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03323368⟩
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