Dynamics of fine sediments in suspension along engineered moutain rivers: Example of the Arc en Maurienne and Isère rivers
Dynamique des matériaux en suspension le long de rivières aménagées de montagne. Exemple de l’Arc en Maurienne et de l’Isère
Résumé
(trad auto)One of the ways of managing siltation in the various hydroelectric structures of the Arc in the Maurienne is to carry out annual dam flushing. During these hydraulic hunts, the remobilized sediments from the bottom of the reservoirs are transported several dozen kilometres downstream of the structures to the Isère. The challenge is then to quantify the downstream spread of these suspended solids (SS), in order to understand the impact of dam flushing on the riverbed. In the first part, spatial maps of MES flows generated by the Arc dam chases between 2006 and 2012 are analysed, criticised and completed, and highlight the distribution of deposition and erosion zones. The uncertainty associated with the calculation of these mass balances is quantified, and the dynamics of recovery and deposition are discussed. This method was then applied to other natural flood and debris flow events, pre-sampled from continuous measurement logs. Finally, to better characterize the TSS transported during these hunting episodes, additional measurements of grain size and fall rate were carried out almost in situ during the 2011 and 2012 hunts. The spatial and temporal dynamics of these quantities make it possible to establish a strategy for setting up a digital model. The second part of this thesis work focuses on the 1D hydro-sedimentary numerical modeling. The MASCARET free surface hydraulic calculation code was used to model the flows generated by dam flushing between 2006 and 2012. This hydraulic modelling highlights the role played by the presence of alternating banks of different roughnesses in the riverbed. To take into account the modelling of the transport of TSS in compound beds, a method for estimating an average concentration per bed is proposed based on data from the literature. The new model, implemented in the solid transport module of MASCARET, COURLIS, is compared with the homogeneous model in the section on real cases of flooding (May 2010) and dam flushing (2010, 2011 and 2012). The modelling results show the ability of the new model to reproduce the measured flows in the calculated uncertainty ranges without the need for non-physical calibration of the parameters.
Un des modes de gestion de l’envasement des différents ouvrages hydro-électriques de l’Arc en Maurienne consiste à réaliser des chasses de barrage annuellement. Lors de ces chasses hydrauliques, les sédiments remobilisés du fond des retenues sont transportés à l’aval des ouvrages sur plusieurs dizaines de kilomètres jusque dans l’Isère. L’enjeu est alors de quantifier la propagation en aval de ces matières en suspension (MES), afin de comprendre l’impact des chasses de barrage sur le lit de la rivière. Dans une première partie, des cartes spatiales de flux de MES générés par les chasses de barrage de l’Arc entre 2006 et 2012, sont analysées, critiquées et complétées, et mettent en évidence des répartitions de zones de dépôt et d’érosion. L’incertitude liée au calcul de ces bilans de masse est quantifiée, et les dynamiques de reprise et de dépôt sont discutées. Cette méthode a ensuite été appliquée à d’autres événements de crues naturelles et de laves torrentielles, prééchantillonnées à partir de chroniques de mesures en continu. Enfin, pour mieux caractériser les MES transportées pendant ces épisodes de chasse, des mesures complémentaires de granulométrie et de vitesse de chute ont été réalisées quasiment in situ pendant les chasses de 2011 et 2012. Les dynamiques spatiale et temporelle des ces grandeurs permettent d’établir une stratégie de paramétrage de modèle numérique. La modélisation numérique hydro-sédimentaire 1D fait l’objet de la seconde partie de ce travail de thèse. Le code de calcul d’hydraulique à surface libre MASCARET a été utilisé pour modéliser les écoulements générés par les chasses de barrage entre 2006 et 2012. Cette modélisation hydraulique met en évidence le rôle joué par la présence de bancs alternés de rugosités différentes dans le lit de la rivière. Pour prendre en compte la modélisation du transport de MES en lit composé, une méthode d’estimation d’une concentration moyenne par lit est proposée à partir de données issues de la littérature. Le nouveau modèle, implémenté dans le module de transport solide de MASCARET, COURLIS, est comparé avec le modèle homogène dans la section sur des cas réels de crue (mai 2010) et de chasses de barrage (2010, 2011 et 2012). Les résultats de modélisation montrent la capacité du nouveau modèle à reproduire les flux mesurés dans les plages d’incertitude calculées, sans avoir recours à une calibration non physique des paramètres.
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