Modèles de transport de sédiment

La benne Van Veen
Transport des sédiments

Le fond de la mer est couvert de sable et de vase (sédiments). On fait la différence entre les matériaux non-cohésifs (qui ne sont pas collés les uns aux autres) et les matériaux cohésifs (grains collés les uns aux autres). Les matériaux non-cohésifs sont d’une part le sable, du sable fin jusqu’au gros sable, dont les grains ont entre 63 µm (0,063 mm) et 2 mm, et d’autre part les graviers de plus de 2 mm. Ces sédiments sont déplacés sous l’effet des courants et des vagues. Les grains de sable et les graviers sont transportés sur le fond de la mer, sur lequel ils roulent. Les matériaux cohésifs sont des matériaux plus fins, la vase et les particules d’argile, dont les grains sont inférieurs à 63 µm. Les grains de vase les plus fins sont soulevés par les courants les plus forts et se déplacent à toutes les profondeurs. Dès que le frottement de l’eau avec le fond de la mer (tension de fond) tombe en-dessous d’un certain niveau, les matériaux en suspension seront à nouveau déposés sur celui-ci. De plus, ces petites particules peuvent coller les unes aux autres pour former des amas beaucoup plus importants. En fonction (entre autres) des courants, de la quantité de matière biologique dans l’eau et des turbulences, ces amas peuvent continuer à grossir ou au contraire être désagrégés.

Le sable et la vase sont transportés sous l’effet des courants et des vagues. Ce transport des sédiments est étudié de manière approfondie, notamment afin de pouvoir mieux gérer les déversements de matériaux de dragage.

Une tripode
Mesures

Les mesures effectuées en mer constituent un premier volet important des études relatives au transport de sédiments. Nous disposons à cet effet de différents instruments de mesure.

Les courants dans l’eau, qui représentent la principale cause du transport de sédiments, peuvent être mesurés à l’aide d’un « Acoustic Current Doppler Profiler » (ADCP). Cet instrument est installé à bord du navire de recherche scientifique RV Belgica  ou est déposé sur le fond de la mer: il permet de dresser un profil complet des courants dans la colonne d'eau en un endroit déterminé.

La quantité de fins matériaux en suspension et le transport du sédiment près du fond sont mesurés à l’aide d’un « trépied ». Il s’agit d’une grande structure en fer qui est également déposée sur le fond de la mer, et sur laquelle différents instruments peuvent être fixés afin de mesurer différents paramètres sur une longue période. Une sonde CTD mesure la teneur en sel de même que la température de l’eau. A différentes profondeurs au-dessus du fond de la mer, la turbidité de l’eau est mesurée à l’aide d’ « Optical Back Scatters ». Pour savoir exactement combien de matériaux sont en suspension dans l’eau, des échantillons sont également prélevés à bord du Belgica à l’aide de bouteilles de Niskin. Ces échantillons d’eau de mer sont ensuite filtrés, afin de déterminer les concentrations exactes de sédiments dans l’eau, et pour pouvoir établir la relation entre les matériaux présents dans l’eau et la turbidité de l’eau qui a été mesurée. Ces échantillons font l’objet d’analyses supplémentaires, effectuées sur terre, afin de déterminer la répartition des grains de différentes dimensions et la quantité de matériaux organiques présents.

On fixe également sur le trépied un instrument de mesure électromagnétique des courants, qui peut mesurer à haute résolution, les courants à un endroit bien précis, de même qu’un petit ADCP, qui peut établir le profil des courants très près du fond de la mer. Enfin, on peut installer sur le trépied un « Laser In-Situ Scattering and Transmissionmeter » (LISST) : il s’agit d’un capteur qui peut estimer les particules de sédiment et l’évolution de la taille des amas de vase dans l’eau, sur base de laquelle on peut d’ailleurs calculer la vitesse de descente des amas vers le fond.

Outre les mesures relatives aux courants et à la quantité de sédiments présents dans l’eau, il est également important de savoir quelles sortes de sédiments se trouvent sur le fond de la mer. Des échantillons sont donc prélevés sur le fond de la mer à l’aide d’une « benne Van Veen », un instrument qui permet de prélever un échantillon de sol marin. Les échantillons de sol font alors l’objet d’une étude en laboratoire, sur terre.

En collaboration avec l’équipe REMSEM, on utilise aussi des images satellites pour analyser les sédiments présents sur le fond de la mer dans les eaux territoriales belges.

Un navire de dragage
Modèles numériques

Outre les mesures, notre DO Milieux naturels développe divers modèles informatiques qui tentent de décrire le comportement de la mer. Ces modèles sont ensuite utilisés pour les prévisions et pour évaluer l’effet de certains paramètres particuliers ou d’actions de gestion. Deux modèles consacrés aux transports de sédiments sont actuellement disponibles : le premier relatif au transport du sable, le second au transport de la vase.

Modèle de transport de la vase (mu-STM) est un modèle qui définit les mouvements des matériaux cohésifs fins. Il s’agit d’un modèle d’advection-diffusion : il définit le déplacement (advection) et la distribution (diffusion) de la vase. Il s’agit d’un modèle « lagrangien », ce qui signifie qu’une même quantité déterminée de matériaux fait l’objet d’un suivi à travers toute la grille du modèle. Au contraire, un modèle « eulérien » est un modèle dans lequel la quantité de matériaux est déterminée à chaque point de la grille du modèle. On tient bien entendu compte de l’érosion et des matériaux qui se redéposent sur le fond.

Le modèle mu-STM est d’abord et avant tout utilisé pour modéliser le comportement des boues de dragage rejetées en mer. Le modèle a été avalisé à cet effet : les résultats fournis par le modèle sont contrôlés et comparés avec les mesures effectuées sur base d’expériences menées en mer. C’est ainsi que l’on a pu localiser des zones où les boues de dragage avaient tendance à rester sur place ou encore où les boues ne retournaient pas vers la zone où le dragage avait eu lieu.

Le modèle est également utilisé pour dresser un « bilan vase » sur l’ensemble de la partie belge de la mer du Nord : on étudie ainsi quelle quantité de vase pénètre dans les eaux côtières belges et quelle quantité en ressort. Les concentrations en bordure du modèle sont déterminées à l’aide d’images satellites. Le modèle a permis de montrer qu’il existe un important mouvement de vase provenant de la Manche et qui traverse les eaux côtières belges en direction du Nord. Le maximum de turbidité (quantité maximale de matériaux dans l’eau) est un effet résultant d’une sorte de tassement de ces matériaux ainsi que d’un affaiblissement de la profondeur à hauteur de l’embouchure de l’Escaut.

C’est encore grâce au même modèle que l’on a réussi à modéliser le développement d’un nouveau « banc de sable » à hauteur de Heist, à l’est de la jetée du port de Zeebrugge.

 

Modèle de transport du sable (mu-SEDIM) est un modèle qui permet de modéliser les mouvements du sable. Le modèle calcule, à chaque point de la grille, le transport de sédiments de même que la direction de celui-ci, en fonction des courants locaux et des vagues. L’érosion et la sédimentation sont actuellement déterminés par la « divergence » des différents mouvements dans un même élément de la grille, c’est-à-dire que l’on calcule, pour chaque élément de la grille, la quantité de sable qui y entre et celle qui en sort. S’il y entre plus de matériaux qu’il en sort, cela signifie qu’il y aura dépôt de sédiments ; dans le cas contraire, on assiste à un phénomène d’érosion. C’est ainsi que l’on peut calculer les changements qui interviennent sur le fond de la mer.

Ce modèle de transport du sable est principalement utilisé pour modéliser les mouvements sur les bancs de sable, par exemple dans le cadre de l’installation d’un parc d’éoliennes en mer. Il est également utilisé pour modéliser les effets de l’extraction à grande échelle de sable depuis les bancs de sable en mer. Le modèle semble prouver que l’extraction de sable depuis les bancs de sable ne menace pas la stabilité de ceux-ci ; il propose également un mécanisme de « régénération » des bancs de sable.

Autres recherches
  • développement d’un modèle pouvant modéliser à la fois les transports de sable et de vase et pouvant tenir compte des interactions entre ces deux matériaux.
  • développement d’un modèle adapté permettant de modéliser la taille des amas de vase présents dans l’eau et la vitesse de descente de ceux-ci vers le fond.
  • utilisation d’images satellites afin d’améliorer l’information concernant la présence de vase dans l’eau.
  • développement d’un instrument de gestion opérationnelle, basé sur les modèles de transports de sédiments, pouvant être utilisé dans le cadre de prévisions opérationnelles des transports de sable et de vase. Cet instrument de gestion pourra alors être utilisé par exemple pour déterminer les sites de largage des boues de dragage les plus appropriés en tenant compte des conditions météorologiques qui prévalent et d’autres paramètres.
Go to top