Caroline Ulses

Dynamique océanique et transport de particules dans le Golfe du Lion. Connaissance des processus qui régissent le fonctionnement global de la zone côtière nord.

Description g´en´erale

Les r´egimes de vent
Les apports fluviaux
Les autres sources de mati`ere particulaire
Les s´ediments de fond

Le Rhône est responsable de plus de 80 % des apports fluviaux de particules fines dans le Golfe du Lion [Aloisi et al., 1977]. De plus, 80 % des particules finissent dans le Golfe du Lion lors des crues.

Fig. 2.2 – Carte morpho-bathym´etrique du Golfe du Lion [Serge Bern´e, IFREMER, 2002].

L’hydrodynamique du Golfe du Lion

La circulation g´en´erale
Les circulations induites par le vent
Les formations d’eau dense sur le plateau et leur plong´ee sur la pente
Les ondes internes

Les vents du sud-est provoquent une accumulation d’eau dans le golfe, notamment le long des côtes. La formation d’eau dense est plus intense près des côtes, là où les profondeurs sont les plus faibles.

Fig. 2.5 – Circulation de l’Eau Modifi´ee d’origine Atlantique (en haut) et de l’Eau Levantine Interm´ediaire (en bas)

Le transport s´edimentaire dans le Golfe du Lion

Transport de la mati`ere particulaire sur le plateau
Flux de particules du plateau vers le large
Les ´equations du mod`ele
Les conditions aux limites

A la surface libre
Au fond
Aux fronti`eres lat´erales

La continuité de la couche néphéloïde de la base à la couche néphéloïde intermédiaire en bord de pente [Durrieu de Madron et al., 1990] contribue au transfert de particules du plateau vers la latitude. La température et la salinité sont fixées au centre de la grille sur chaque demi-niveau.

Fig. 2.8 – Coupes verticales de temp´erature (˚C), salinit´e et att´enuation de la lumi`ere (m − 1 ), observ´ees sur le plateau et dans le canyon du Cap Creus en novembre 2003

Modules de transport s´edimentaire

Caract´eristiques des particules

Taille des particules
Densit´e
Vitesse de chute

Par ailleurs, des mécanismes physico-chimiques pourraient également être responsables de la formation d’agrégats de matière organique. Les processus d'agrégation ci-dessus affectent les flux verticaux et horizontaux de particules en augmentant le taux de chute des particules fines [Gardner, 1989 ; Gardner et Walsh, 1990].

Tab. 3.1 – Typologie granulom´etrique des s´ediments, d’apr`es Wentworth [1922].

Module du s´ediment de fond

Initialisation de la granulom´etrie du s´ediment du fond
Pavage

Le calcul de l’épaisseur de la couche active est différent pour les fonds sableux et les fonds limoneux. Pour un fond vaseux, l'épaisseur de la couche active est définie par la relation [Harris et Wiberg, 1997].

Tab. 3.2 – Caract´eristiques des classes de particules

Module de couche limite de fond

Frottement li´e `a la houle
Contraintes de cisaillement due `a l’interaction houle/courant
Rugosit´e

Les frottements liés uniquement à la vague, uniquement au courant et enfin à l'interaction vague/courant sont fonction de la rugosité. Plusieurs types de rugosité existent, allant de la rugosité des grains (z0=D50/12) à la rugosité associée aux ondulations du fond.

Tab. 3.3 – Coefficients dans la param´etrisation de Soulsby et al. [1993] pour le mod`ele de Fredsoe [1984].

Module du s´ediment en suspension

Equation de diffusion/advection
Flux `a l’interface eau/s´ediment

Selon certains auteurs, la transition entre fonds cohésifs et fonds non cohésifs dépend de la fraction boue. Pour les sols cohésifs, nous avons choisi de déterminer l'écoulement à l'interface eau/sédiment en utilisant la loi de Partheniades [1962] .

For¸cages

La houle
Les apports fluviaux

Pour l'Hérault, nous avons utilisé le rapport débit liquide/débit solide établi par Petelet-Giraud et al. 3.87). Nous avons déterminé le courant fixe de Tˆet à partir des travaux de Serrat et al.

Conclusion

Pour déterminer l'apport des matériaux rhodaniens, nous avons utilisé le ratio calculé par Sempér'é et al. Sur le plateau de l'Èbre, les tempêtes peuvent ainsi provoquer une remise en suspension de particules jusqu'à 60 m de profondeur [Puig et al., 2001 ; Palanques et al., 2002]. La période orageuse de 1999 avait déjà fait l'objet d'une modélisation unidimensionnelle du profil des matières en suspension [Ferré et al., 2005].

La zone d’´etude

Il nous offre également une première opportunité de comparer les résultats des modules de transport sédimentaire avec les observations et constitue donc le premier exercice de calibrage et de validation de ces modules. Puis, après une description de la mise en œuvre du modèle pour cette étude, nous montrons les résultats de la modélisation de l'hydrodynamique puis du transport sédimentaire.

L’exp´erience VENT

Observations

La localisation de la zone d'étude dans la Baie du Lion est marquée par un rectangle sur la figure A. Un troisième mouillage était équipé d'un ADCP pointé vers le fond situé à 5,3 m au-dessus du fond. Le courant et l'intensité acoustique ont été échantillonnés entre 0,5 et 4,3 m au-dessus du fond avec une résolution verticale de 20 cm.

Fig. 4.1 – Bathym´etrie et granulom´etrie dans le Golfe du Lion (A) et dans la baie de Banyuls-sur-Mer (B)

Conditions m´et´eorologiques et fluviales

Un courantomètre Aanderaa RCM9 situé à 3,3 m au-dessus du fond et un capteur Aanderaa OBS ont mesuré la température, la turbidité et le courant (intensité et direction) près du fond. De plus, des profils de température, de salinité et de turbidité ont été réalisés à l'aide d'une sonde CTD les jours où les conditions météorologiques étaient calmes.

Précédents résultats

Juste après la tempête, une augmentation de la température près du fond est observée. Avant la tempête, la concentration de matières en suspension (MES dans la suite) est comprise entre 0,5 et 3 mg L−1 à plus de 3 m au-dessus du fond (figure 4.5). Durant la tempête, la concentration de MES augmente considérablement près du fond (figure 4.6).

Fig. 4.2 – Comparaison du vent (m s − 1 ) simul´e par le mod`ele ALADIN (en bleu) ` a celui mesur´e ` a la station de M´et´eoFrance du Cap B´ear (en rouge)

Impl´ementation du mod`ele

Initialisation du s´ediment

Nous avons déterminé la taille des particules de sédiments dans la Baie de Banyuls à partir des données des campagnes marines NATURA 2000 (François Charles, Martin Desmalades, Observatoire de Banyuls-sur-Mer) interpolées sur la grille du modèle. De l'autre côté, les rochers sont entourés de rivages dans la baie et au nord du cap Bear.

R´esultats

Mod´elisation hydrodynamique

Le modèle intermédiaire montre que le courant est dirigé vers le nord en dehors de la baie de Banyuls (figure 4.13 c). La figure 4.14 montre l'évolution temporelle de la température proche du fond sur le site SOLA. Durant la tempête, la circulation anticyclonique simulée au sud de la baie (Figure 4.12 d) se poursuit jusqu'au 14 novembre.

Fig. 4.9 – Images Seawifs du (a) 31/10, (b) 04/11, (c) 09/11, (d) 15/11 et champs de salinit´e de surface simul´es pour le (e) 31/10, (f ) 04/11, (g) 09/11, (h) 15/11 (rouge : S < 35 ; bleu : S > 37.75).

Etude du transport s´edimentaire

Interaction houle/courant
Comparaison des sorties du mod`ele avec les observations
Transport s´edimentaire dans la baie
Conclusion

L'évolution de la concentration au cours de la tempête est représentée sur le graphique inséré dans la figure 4.20. Le modèle reproduit bien la baisse des MES observée juste après la tempête à 1 m au-dessus du fond (figure 4.20). Au large de la baie, au nord, on observe une zone d'érosion induite par les courants.

Fig. 4.20 – Evolution temporelle des concentrations de mati`ere en suspension (g L − 1 ) observ´ee et simul´ee au site SOLA ` a 1 m au dessus du fond

Etudes de sensibilit´e

Les concentrations de MES sont plus élevées dans la simulation où la houle est homogène (non représentée). De plus, dans la simulation de référence nous avons appliqué un vent homogène au domaine. Nous avons ensuite réalisé un test pour évaluer la sensibilité des résultats à la structure de la vitesse du vent dans la baie.

Fig. 4.28 – Etude de sensibilit´e aux apports particulaires : ´evolution temporelle de la concentration de mati`ere en suspension (g/L) (a) et de la fraction de particules fines dans le s´ediment (b) observ´ees et simul´ees.

Conclusion

Les ´echanges cˆote/large
Les plong´ees d’eaux dense
Les tempˆetes
Objectif de l’´etude

La submersion des eaux denses formées sur le plateau continental est le principal processus contribuant au flux de matières de la côte vers le large. Ivanov et al. [2004] ont identifié 61 endroits où le processus de formation et de submersion d'eau dense a eu lieu sur la marge continentale mondiale. Le processus de plongée dans des eaux denses est-il le seul processus physique responsable de l’exportation massive vers le Golfe du Lion ?

Fig. 5.1 – Anomalie de densit´e simul´ee pour le 15 f´evrier 1999 a) Champ horizontal au fond, b) Section verticale le long de 42.36˚N

L’exp´erience EUROSTRATAFORM : strat´egies

Strat´egie d’observation

Le programme européen EUROSTRATAFORM, dont ce travail fait partie, vise à mieux comprendre le transport des particules depuis les rivières, sur le plateau puis sur la pente jusqu'aux grands fonds. Nous présentons dans un premier temps les stratégies d'observation et de modélisation mises en œuvre dans le cadre de l'expérience EUROSTRATAFORM. Toutes ces observations sont très localisées, ni dans l'espace ni dans le temps, et ne permettent donc pas d'avoir une vision synoptique du cycle et des processus qui se déroulent sur le plateau et sur le versant.

Fig. 5.3 – Description de l’exp´erience EUROSTRATAFORM. Le cadre repr´esent´e dans la figure ins´er´ee d´elimite le domaine de mod´elisation du Golfe du Lion utilis´e pour cette ´etude.

Strat´egie de mod´elisation

5.5 – Bouée météorologique (a) et altimètre (b) fixés devant l'embouchure de la rivière Tˆet lors de l'expérimentation EUROSTRATAFORM. Nous constatons un léger changement de direction entre les données des bouées et les résultats du modèle. 5.7- Comparaison entre les vitesses (m s−1) et les directions (˚) du vent simulées par le modèle ALADIN (bleu), mesurées à la bouée devant l'estuaire de la Têta (rouge) et à la station M´et´ eoFrance Toreille (vert) .

Fig. 5.4 – Description de la ligne de mouillage localis´ee en tˆete des sept canyons.

R´esultats

Description générale de la période

Conditions atmosph´eriques, fluviales et d’´etat de mer
Temp´erature et courant pr`es du fond dans les canyons

La baisse de température dans le canyon de Planieri n'est enregistrée que de fin février à mi-mars. En revanche, on constate que les baisses de température simulées précèdent d’environ 3-4 jours celles observées dans les canyons. La première anomalie positive de température est provoquée par la tempête d’automne.

Fig. 5.8 – Evolutions temporelles du flux de chaleur latente (W m − 2 ) (a), du vent ALADIN (m s − 1 ) (b) et de la hauteur significative de vague (m) (c), simul´es au niveau de l’embouchure de la Tˆet puis, du niveau de la mer (m) mesur´e ` a S`ete (d) et

Période automnale : association d’événements extrêmes, crue et tempête de vent

Etude d’une crue par vent de sud-est
Impact de la tempˆete de SE dans les canyons sous-marins
Formation et propagation des eaux denses sur le plateau
Extension des panaches d’eau dense sur la pente pendant la premi`ere
Les tempˆetes hivernales

Lors d'un orage, le volume d'eau dense sur le plateau diminue nettement (Figure 5.23 e). Le volume d'eau dense est alors plus important que dans la simulation de référence (Figure 5.26). Les plongées en eaux denses observées lors de tempêtes de vent du sud-est seront examinées au paragraphe 5.3.3.4.

Fig. 5.13 – Champs de salinit´e de surface simul´e pour le 5 d´ecembre 2003 (a) et le 8 d´ecembre 2003 (b) ; Champ de courant moyen (cm s − 1 ) simul´e pour le 4 d´ecembre 2003 (c).

Synthèse : temps de résidence et flux côte/large

Temps de r´esidence
Flux cˆote/large

Les quantités d'eau exportées intégrées sur l'ensemble de la tempête (12 h pour la tempête de décembre, 3 jours pour la tempête de février) sont maximales dans les gorges du Cap Creus. Comme prévu, l'exportation d'eau dense s'effectue principalement dans les gorges du Cap Creus (Figure 5.42). La tempête modérée qui se produit du 13 au 16 Mars, est responsable de l'exportation d'une grande quantité d'eau dense (bleu clair).

Fig. 5.36 – Temp´erature (˚C) simul´ee ` a 500 m de profondeur pour le 21 mars 2004.

Conclusion

Domaine de mod´elisation et for¸cage hydrodynamique
Apports fluviaux
Houle
Param`etres d’´erosion

Dans le prochain chapitre, nous étudierons le transport des sédiments pendant la période de l'expérience EUROSTRATAFORM. Nous présentons ensuite l'impact des différents processus physiques identifiés sur le transport des particules au niveau du plateau et sur les échanges côtiers/larges. Cependant, les différences entre ces deux estimations sont faibles et l’évolution de la concentration de particules en suspension est comparable dans les deux cas.

Fig. 6.1 – D´ebit solide (g L − 1 ) du Grand-Rhˆ one estim´e d’apr`es des mesures (en rouge) et calcul´e avec la relation de Semp´er´e et al

Comparaison des sorties du mod`ele avec les observations

Evolution temporelle de la concentration de mati`ere en suspension pr`es du fond . 167

La concentration de matières en suspension enregistrée atteint des valeurs élevées dans le canyon du Cap Creus (48 mg L−1). Au début de l'hiver, deux pics de concentration de particules sont observés et simulés dans le canyon du Cap Creus. 6.7– Evolution temporelle du module du vent (m s−1) simulé au niveau du prodelta Tˆet, de la hauteur significative des vagues (m) simulée au niveau du prodelta Tˆet, de la température (˚C), de la vitesse du courant ( cm s −1) et concentration de matières en suspension (mg L−1) simulées dans le Canyon du Cap Creus.

Fig. 6.6 – Evolutions temporelles des concentrations de mati`ere en suspension (mg L − 1 ) pr`es du fond oberv´ees (en rouge) et simul´ees (en bleu) pr`es du fond dans les canyons ´etudi´es

Conclusion

On retrouve l'erreur évoquée précédemment dans les résultats du modèle, ce qui explique probablement l'absence de couche superficielle nuageuse sur le plateau. Dans les observations, on remarque la présence d'un fond nuageux sur le plateau et le versant, associé aux eaux froides. Des concentrations relativement élevées sont observées dans la couche inférieure du plateau et sur la pente, dans les données CTD et dans les résultats du modèle.

Fig. 6.8 – Coupes verticales de temp´erature (˚C), salinit´e, et concentration de mati`ere en suspension (mg L − 1 ) dans l’axe du canyon du Cap Creus observ´ees pour le 12 novembre 2003, le 14 f´evrier 2004 et le 19 mars 2004.

Episodes automnaux : crue et tempˆete de sud-est

Apports de la crue
Effet de la tempˆete de sud-est
Modifications du sédiment de fond générées par la crue et la tempête
Conclusion

La figure 6.14 montre une coupe verticale de la concentration de particules en suspension du Cap d'Agde jusqu'au bord du plateau, perpendiculairement à la pente. La figure 6.15 montre des coupes verticales de la concentration des matières en suspension le long de l'axe. Au niveau de la rupture de talus, la couche de matières en suspension présente sur le plateau s'étend principalement en surface vers la mer (Figure 6.15 e).

Fig. 6.11 – Champ de hauteur significative de vague (m) simul´e pour le 4 d´ecembre 2003 ` a 0 h (a) et champ de courant (cm s − 1 ) pr`es du fond simul´e pour le 4 d´ecembre 2003 ` a 6 h (b).

Premi`ere p´eriode hivernale

Transport particulaire associ´e aux vents de nord et `a la propagation des eaux denses182
Conclusion
Vent de sud-est mod´er´e
Conclusion

Ces plongées en eaux denses sont alors associées à une remise en suspension de particules dans la partie supérieure du canyon. Un panache de matières remises en suspension s'écoule ensuite le long du flanc sud du canyon le long d'isobathes comprises entre 200 et 500 m de profondeur. Les pendages d'eau denses qui se produisent dans ce canyon génèrent alors la formation d'une couche de particules de fond sur le flanc sud du canyon, comme l'illustre la figure 6.19.