Numerical modeling of sediment transfers on highly erodible catchments
Modélisation numérique du transfert sédimentaire en bassin versant montagneux fortement érodable
Résumé
In some small mountain catchments, extreme rainfall events can lead to strong sediment exports. This large volume of sediment can have an impact on the management of hydraulic structures downstream these basins. Today, to represent erosion processes on a watershed scale, distributed conceptual models are mainly used (CASC2D, SHETRAN, DWSM). These models are based on global erosion formulas and are validated for coarse mesh sizes (> 30 m). On the other hand, there are models capable of finely representing gravity erosion processes, by multiphase flows, mainly used on small-scale cases. This thesis work proposes the development of a physics-based model capable of representing both hydraulic transfers and watershed hydrology, gravity-driven erosion processes and sediment erosion/deposition in the hydraulic network. This will quantify sediment export at the outlet of a basin for extreme events, identify areas of high sediment production and sediment storage dynamics in the hydraulic network to facilitate watershed management. The first step is to evaluate the resolution of the Saint-Venant equations for run off with low water depths on steep slopes. To diagnose the different numerical schemes that can be found in the literature, a test case, with an analytical solution of the Saint-Venant equations, representing a straight channel on which a constant rain falls is used. This test case includes a dry zone upstream and allows the evaluation of the key properties that a scheme must include to represent runoff over a watershed, such as positive water depths, the transition between dry and wet zones, the balance of the lake at rest and the non-limitation of the slope. The Chen and Noelle (2017) scheme is finally chosen.Then, with the addition of a Green-Ampt infiltration law (1911), the model will be evaluated in its ability to represent output hydrographs, but especially local flow velocities over real watersheds. For this, we evaluate the part of error coming from the numerical resolution and the physical modeling of the friction of the water on the bottom through four experimental cases from the laboratory scale to a basin of 1 km².A gravity erosion model, based on Takahashi's (2009) detachment and deposition criteria, is coupled to the global hydraulic model by a bottom evolution equation. The evolution of the sediment stock in the hydraulic network is modeled using an advection equation representing suspended sediments in the flow. The classic laws of Krone and Parthenades erosion and deposition are used for the recovery sediment deposition in the network.The erosion model is then validated on the Laval watershed (86 ha), instrumented and monitored by the ORE Draix-Bléone, on several very erosive events. Finally, the model is applied to two basins that are not instrumented but are of interest to EDF, for an ovoid dimensioning study in the Durance valley. Translated with www.DeepL.com/Translator
Dans certains petits bassins versants de montagne, des évènements de pluie extrême peuvent engendrer de forts exports sédimentaires. Ce volume important de sédiment peut avoir un impact sur la gestion des ouvrages hydrauliques à l’aval de ces bassins. Aujourd’hui, pour représenter les processus d’érosion à l’échelle du bassin versant, des modèles conceptuels distribués sont majoritairement utilisés (CASC2D, SHETRAN, DWSM). Ces modèles sont basés sur des formules d’érosion globales et sont validés pour des maillages grossiers (> 30 m). D’un autre côté, il existe des modèles capables de représenter finement des processus d’érosion gravitaire, par des écoulements multiphasiques, principalement utilisés sur des cas à petite échelle. Ce travail de thèse propose le développement d’un modèle à base physique capable de représenter à la fois les transferts hydrauliques et l’hydrologie des bassins versants, les processus d’érosion gravitaire et de reprise/dépôt des sédiments dans le réseau hydraulique. Cela permettra de quantifier l’export sédimentaire à l’exutoire d’un bassin pour des tempêtes extrêmes, d’identifier des zones de fortes productions sédimentaires et des dynamiques de stockage des sédiments dans le réseau hydraulique afin d’aider à la gestion des bassins versants. Il s’agit dans un premier temps d’évaluer la résolution des équations de Saint-Venant pour du ruissellement avec des faibles hauteurs d’eau sur des fortes pentes. Pour diagnostiquer les différents schémas numériques que l’on peut trouver dans la littérature, un cas test, disposant d’une solution analytique des équations de Saint-Venant, représentant, un canal rectiligne sur lequel tombe une pluie constante est utilisé. Ce cas test comporte une zone sèche à l’amont et permet d’évaluer les propriétés clés qu’un schéma doit comporter pour représenter le ruissellement sur un bassin versant, à savoir la positivité des hauteurs d’eau, la transition entre zones sèches et mouillées, l’équilibre du lac au repos et la non limitation de la pente. Le schéma de Chen et Noelle (2017) est finalement choisi. Ensuite, avec l’ajout d’une loi d’infiltration de type Green-Ampt (1911), le modèle sera évalué dans sa capacité à représenter les hydrogrammes en sortie, mais surtout les vitesses locales d’écoulement sur des bassins versants réels. Pour cela, on évalue la part d’erreur provenant de la résolution numérique et de la modélisation physique du frottement de l’eau sur le fond au travers de quatre cas expérimentaux de l’échelle du laboratoire à un bassin de 1 km².Un modèle d’érosion gravitaire, basé sur les critères de détachement et de dépôt de Takahashi (2009), est couplé au modèle d’hydraulique global par une équation d’évolution du fond. L’évolution du stock de sédiment dans le réseau hydraulique est modélisée à l’aide d’une équation d’advection représentant les sédiments en suspension dans l’écoulement. Les lois classiques de dépôts de d’érosion de Krone et Parthéniades sont utilisées pour la reprise dépôt des sédiments dans le réseau.Le modèle d’érosion est ensuite validé sur le bassin versant du Laval (86 ha), instrumenté et surveillé par l’ORE Draix-Bléone, sur plusieurs évènements très érosifs. Le modèle est enfin appliqué à deux bassins non instrumentés mais à enjeu pour EDF, pour une étude de dimensionnement d’ovoïdes dans la vallée de la Durance
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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