Thèse effectuée à l’I2M par Van Van THAN sous la direction de Yves LACROIX et Pierre LIARDET

École Doctorale de Mathématiques et Informatique de Marseille

Institut de Mathématiques de Marseille ( I2M - UMR 7373)

Soutenance de thèse, le 18 Septembre 2015, UTLN

Modélisation d'érosion côtière : application à la partie ouest du tombolo de Giens

Introduction

I. Données disponibles

II. Analyse des données

III. Modélisation hydro-morphologique

IV. Modèle de l’évolution du trait de côte

V. Solutions de protection du littoral

Conclusions générales

PLAN DE L’EXPOSÉ

2

INTRODUCTION

3

70% 10%

20%

Côtes mondiales

ErosionDépôtStabilisé

20%

13% 67%

Côtes européennes

Erosion

Dépôt

24%

10% 44%

22%

Côtes françaises

Erosion

Dépôt

Stabilisé

17%

83%

Côtes PACA

Erosion

Sans érosion

(Source : wikhydro) (Source : anonyme, 2013)

(Source : IFEN, 2007) (Source : EUROSION, 2004 )

INTRODUCTION

4

• Problématique : Erosion du cordon littoral occidental du tombolo.

• Constat : Au tombolo Ouest, aucune recherche sur: modèle couplé hydro-morphodynamique et modèle de

l’évolution du trait de côte ; solutions globales efficaces.

• Objectifs : Réalisation d’un modèle hydro-morphodynamique + de

l’évolution du trait de côte ; Détermination des causes de l'érosion côtière; Solutions de protection de la plage.

Introduction

I. Données disponibles

II. Analyse des données

III. Modélisation hydro-morphologique

IV. Modèle de l’évolution du trait de côte

V. Solutions de protection du littoral

Conclusions générales

5

1. DONNÉES DE TERRAIN

6

I. Données disponibles 1. Données de terrain Données de terrain disponibles

Bathymétries Trait de côte

EOL Litto3D

EGB Histolitt de

Géoportail (IGN) ou SHOM

Bathymétries XYZ

Trait de côte XYZ

Sources

Traitement

Maillage Grille Volumes

Visualisation

Forçages météo-marins

Vent + pression atmosphérique

Niveau marin (surcote)

Houle Courant

Sources Obs. METAR/SYNOP Obs. SHOM, IOC,

PSMSL, CSMSE

Vent à 10 m

Traitement

Modèles existants: NOAA, ECMWF, Météo-France, WindGURU ADCP (Juin et

Octobre 2009)

MARS3D

MARS3D

Fetchs + vents (ERAMM) Navires Mesures :

Almanarre, La Capte,

Cap Cépet, Pradet

Bouée CANDHIS Obs. : Almanarre, La Capte, rade TLN Modèles existants:

Previmer, ANEMOC, ECMWF, MARS3D

Format MIKE21

UTC+1

2. DONNÉES DE FORÇAGES MÉTÉO-MARINS DISPONIBLES

7

DONNÉES DE FOND MARIN DISPONIBLES

8

I. Données disponibles 1. Données de terrain 2. Données de forçages météo-marins disponibles 3. Données de natures du fond et de biocénoses disponibles

Fond marin

Posidonies Sédiments

Sources Echantillons du ERAMM

Traitement

Carte du SHOM

Carte et profil MIKE 21

Carte: Cartham et Andromède Océanologie

Coupe de terrain

Introduction

I. Données disponibles

II. Analyse des données

III. Modélisation hydro-morphologique

IV. Modèle de l’évolution du trait de côte

V. Solutions de protection du littoral

Conclusions générales

9

- La pente est plus forte sur les 100 premiers mètres du profil de B01 à B23 (jusqu’à 2 mètres de profondeur) (ERAMM).

- Il existe trois grands trous sous-marin (100 m de la côte) (Courtaud).

GÉOGRAPHIQUES ET MORPHOLOGIQUES

10

II. Analyse des données 1. Caractéristiques générales - Géographiques et morphologiques

Zones d’érosions du littoral aux zones de départ de courants sagittaux : les indentations dans l'herbier de posidonie (à gauche) et les trous dans les bathymétries (à droite) du tombolo Ouest.

B01 B23

• Deux régimes de vents dominants : Ouest et Est.

• Le tombolo Ouest est exposé aux vents de secteur Sud-Ouest à Ouest.

VENTS

11

II. Analyse des données 1. Caractéristiques générales - Géographiques et morphologiques - Caractéristiques des vents

Roses des vents à la station d'Hyères à partir des données observées SYNOP pour la période de 1999 à 2014.

• Courant Ligure d’Est à Ouest n’a pas d’impact directement sur le site de l’Almanarre ;

• Les courants de marée sont faibles ;

• Les courants de houles sont importants :

Les chenaux d'érosion longitudinaux sont creusés par les courants de dérive ;

Les chenaux d'érosion transversaux sont creusés par les courants sagittaux sur les bornes B03, B18, et B33.

• Les courants de vents sont trop faibles pour en tenir compte.

COURANTS CÔTIERS

12

II. Analyse des données 1. Caractéristiques générales - Géographiques et morphologiques - Caractéristiques des vents - Caractéristiques des courants côtiers

• La marée est faible (< 0,3 m), sans importance.

• La surcote annuelle est estimée

de 0,30 m NGF (ERAMM).

• Les niveaux extrêmes sont calculés à +0,4 m NGF (ERAMM).

• Les plus hauts sont atteints en automne et hiver.

• Les plus bas sont atteints en Février.

NIVEAUX MARINS

13

II. Analyse des données 1. Caractéristiques générales - Géographiques et morphologiques - Caractéristiques des vents - Caractéristiques des courants côtiers - Caractéristiques des niveaux marins

• Les évènements du secteur Est à Sud-Est sont peu importants ;

• Les directions d'agitation dans le golfe de Giens sont Ouest et Sud-Ouest.

HOULES

14

II. Analyse des données 1. Caractéristiques générales - Géographiques et morphologiques - Caractéristiques des vents - Caractéristiques des courants côtiers - Caractéristiques des niveaux marins - Caractéristiques des houles

Rose des houles pour quatorze années (de 1999 à 2012) à la bouée de Porquerolles.

N

Évènements extrêmes • Le golfe de Giens est très agité lors des

évènements tempétueux de Sud-Ouest.

Sédiments • La plage de l’Almanarre est une plage sableuse

avec la présence de gravier.

Biocénoses • Les posidonies sont entre 2 et 35 m de

profondeur.

15

II. Analyse des données 1. Caractéristiques générales - Géographiques et morphologiques - Caractéristiques des vents - Caractéristiques des courants côtiers - Caractéristiques des niveaux marins - Caractéristiques des houles - Caractéristiques ’évènements extrêmes - Principales caractéristiques de sédiments et biocénoses

• Le déficit sédimentaire est estimé à 8 000 m3/an sur le tombolo Ouest (Grissac, 1975);

• La géomorphologie :

Les chenaux transversaux déplacent les sédiments jusqu’à 12-15 m de profondeur (Courtaud, 2000);

Les chenaux longitudinaux sont responsables des sédiments mobiles le long de la côte.

A cause d’une pente très forte, les sédiments ont des difficultés a se redéposer.

DÉFICIT SÉDIMENTAIRE ET GÉOMORPHOLOGIE

16

II. Analyse des données 1. Caractéristiques générales 2. Principaux facteurs influençant l’évolution du tombolo ouest - Déficit sédimentaire - Géomorphologie

• Les courants sagittaux provoquent l’érosion

du littoral de 50 à 100 m3/an/ml (SOGREAH,

1988).

• Les courants de dérive créent un transit littoral

de 5 000 m3/an (SOGREAH, 1988).

• Le régime des houles de Sud-Ouest est le plus

destructeur dans la zone nord.

CONSTAT SUR LES COURANTS ET LES HOULES

17

II. Analyse des données 1. Caractéristiques générales 2. Principaux facteurs influençant l’évolution du tombolo ouest -. Déficit sédimentaire - Géomorphologie - Courants - Houles

• La tempête Les régimes dangereux (Blanc 1973) : élévations du plan d'eau (0,70-1 mètre NGF) ; dépression à 740 mmHg (tempête

exceptionnelle) ; fortes houles: période de 9-10 s ; vents de secteur Ouest.

• La montée lente du niveau marin est de 1-2 mm/an (10-20 cm/siècle) (SOGREAH); provoque une érosion du tombolo Ouest de

2 000 m3/an (SOGREAH);

TEMPÊTE ET MONTÉE LENTE DU NIVEAU MARIN

18

II. Analyse des données 1. Caractéristiques générales 2. Principaux facteurs influençant l’évolution du tombolo ouest - Déficit sédimentaire - Géomorphologie - Courants - Houles - Tempête - Montée lente du niveau moyen de la mer

Introduction

I. Données disponibles

II. Analyse des données

III. Modélisation hydro-morphologique

IV. Modèle de l’évolution du trait de côte

V. Solutions de protection du littoral

Conclusions générales

19

1. METHODOLOGIE

20

Echelle Régionale Echelle Locale

Module HD

Module SW

Module ST

Module HD

Module SW

Modèles calibrés (HD et SW) Modèle couplé calibré

Modèle Initial MIKE 21

Calibration et validation du modèle

Courant et niveau marin

Hydrodynamique Scénarios Paramètres des vagues

Transport de sables

Evolution morphologique

Données mesurées à

la côte

Données mesurées / simulés au large

Calibration du modèle couplé

Calibration des modèles HD et SW

2. DOMAINE REGIONAL

21

MEDIT-2185

Bouée de Porquerolles

MEDIT-2610

2. DOMAINE LOCAL

22

B01

B03

B08

B16

B23

B46

B40

Tombolo Ouest

(A)

(B)

(C)

(D)

3. SCÉNARIOS

23

Scénario Type Période simulée Vent Houle au large Dir (°) V (m/s) H1/3 (m) Tp (s) MWD (°)

Annuel Statistique Janvier 2008 274 7,59 1,84 5,95 265 228 5,57 1,73 5,26 226

Estival Juin 2008 272 8,09 0,92 5,58 264 227 6,07 0,79 4,86 230

Hivernal Janvier 2008

275 7,34 1,90 6,45 266 230 5,06 1,75 5,87 224

Une année Réel Août 2007 - Août 2008

Variant dans le temps

35 ans Réel 1979 -2014 Variant dans le temps Extrêmes Réel 3 jours

(durée de tempête 24 h) en 2007 et 2008

Variant dans le temps Statistique 230-275 12,65

-34,21 5-7,5 9,4-12 224-270

Dir – la direction du vent (°) ; V – la vitesse du vent (mètre par seconde) ; H1/3 – la hauteur significative de la houle (mètre) ; Tp – la période de pic de la houle (s) ; MWD – la direction moyenne de la houle ( °).

4. CALIBRATION

24

Comparaison des hauteurs de la houle calculées (bleu) et mesurés (noire) en Novembre 2000 à l’Almanarre.

Comparaison des niveaux marins simulés (bleu) et observés (noire) à Toulon pendant la période du 5 au 6 Novembre 2000.

III. Modélisation hydro-morphologique

1. Méthodologie

2. Domaine

3. Scénarios

4. Calibration

B01

B46

B01

B03

B08

B13 Almanarre

4. CALIBRATION

25

Evolution des bathymétries mesurées par EOL - dans le polygone de B03 à B43 (à gauche) et prédites par MIKE21/3 FM (à droite) pour l’année 2008.

III. Modélisation

hydro-morphologique

1. Méthodologie

2. Domaine

3. Scénarios

4. Calibration

5. VALIDATION

26

Comparaison des hauteurs de houle calculées (bleu) et mesurées (noire) à la station SCAPT 4 de la Capte en Mars 2009 (mesures S. Meulé).

12/03 12/03 12/03 12/03 13/03 13/03 13/03 14/03 14/03 14/03 14/03 15/03 15/03 15/03 15/030

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

Date [de 12-Mar-2009 à 15-Mar-2009]

SC

AP

T4: S

ign.

Wav

e H

eigh

t (m

)

ObsSim

III. Modélisation

hydro-morphologique

1. Méthodologie

2. Domaine

3. Scénarios

4. Calibration

5. Validation

La Capte

HOULES

27

III. Modélisation

hydro-morphologique

1. Méthodologie

2. Domaine

3. Scénarios

4. Calibration

5. Validation

6. Résultats

a. Hydrodynamique

Cartographie des hauteurs de houle significatives dans les conditions annuelles en Janvier 2008 (à gauche) et tempête du 24 janvier 2007 (à droite).

B01

B03

B08

B16

B23

B46

B40

B01

B03

B08

B16

B23

B46

B40

HOULES

28

Densité de l'énergie des houles à la borne B08 dans les conditions annuelles en Janvier 2008 (à gauche) et tempête du 24 janvier 2007 (à droite).

B01

B03

B08

B16

B23

B46

B40

B01

B03

B08

B16

B23

B46

B40

COURANTS

29

Cartographie des courants dans les conditions annuelles en Janvier 2008 (à gauche) et tempête du 24 janvier 2007 (à droite).

III. Modélisation

hydro-morphologique

1. Méthodologie

2. Domaine

3. Scénarios

4. Calibration

5. Validation

6. Résultats

a. Hydrodynamique

TRANSPORT DE SABLES

30

Cartographie du transport total des sédiments dans les conditions annuelles en Janvier 2008 (à gauche) et tempête du 24 janvier 2007 (à droite).

III. Modélisation

hydro-morphologique

1. Méthodologie

2. Domaine

3. Scénarios

4. Calibration

5. Validation

6. Résultats

a. Hydrodynamique

b. Transport de sables

B01 B03

B08

B16

B23

B46

B40

B01

B03

B08

B16

B23

B46

B40

EVOLUTION MORPHOLOGIQUE

31

Cartographie des vitesses des variations bathymétriques dans les conditions annuelles en Janvier 2008 (à gauche) et tempête du 24 janvier 2007 (à droite).

III. Modélisation

hydro-morphologique

1. Méthodologie

2. Domaine

3. Scénarios

4. Calibration

5. Validation

6. Résultats

a. Hydrodynamique

b. Transport de sables

c. Evolution

morphologique

B01 B03

B08

B16

B23

B46

B40

B01 B03

B08

B16

B23

B46

B40

Introduction

I. Données disponibles

II. Analyse des données

III. Modélisation hydro-morphologique

IV. Modèle de l’évolution du trait de côte

V. Solutions de protection du littoral

Conclusions générales

32

MÉTHODOLOGIE

33

IV. Modèle de

l’évolution du trait de

côte

1. Détermination de

l’évolution de la ligne

du rivage (DSAS)

Photographies aériennes

Levés GPS/DGPS Levés LiDAR

Traits de côte historiques

Géodatabase Personnelle

Outil DSAS ("Digital Shoreline Analysis System")

Vitesse de changements de la position du trait de côte

Tendance d’érosion et d’accrétion

Mouvement net du trait de côte

Relation entre l'évolution du trait de côte et certains facteurs érosifs

Positions des côtes futures

PRÉVISIONS DES MOUVEMENTS DU TRAIT DE CÖTE DU TOMBOLO OUEST

34

Zone Méthode Évolution moyen de 1971 à 2012 (m/an)

Tendance des déplacements du trait de côte (m) en 2022

A LRR -0,23 -2,3

B LRR -0,22 -2,2

C LRR 0,35 3,5

D LRR 0,26 2,6

IV. Modèle de

l’évolution du trait de

côte

1. Détermination de

l’évolution de la ligne

du rivage (DSAS)

Prévisions des mouvements de la ligne de la côte occidentale au tombolo par la méthode LRR (« Linear Regression Rate »).

DÉTERMINATION DE LA CAPACITE DE TRANSIT SÉDIMENTAIRE MOYEN

35

IV. Modèle de

l’évolution du trait de

côte

1. Détermination de

l’évolution de la ligne

du rivage

2. Détermination de la

capacite de transit

sédimentaire

moyen (LITPACK)

Distribution du transport sédimentaire dans le profil, à titre indicatif, pour le secteur nord (au niveau de la borne B08) et pour une orientation du trait de côte de 257 degrés Nord : transport net vers le Sud (vert) et vers le Nord (bleu) ; le profil représentatif du secteur Nord est indiqué en jaune.

570 470 370 270 170 70 0

Distance de la borne B08 (m)

Tran

spor

t séd

imen

taire

(m

3 /an/

ml)

Elév

atio

n (m

CM

)

DÉTERMINATION DE LA CAPACITE DE TRANSIT SÉDIMENTAIRE MOYEN

36

IV. Modèle de

l’évolution du trait de

côte

1. Détermination de

l’évolution de la ligne

du rivage

2. Détermination de la

capacite de transit

sédimentaire

moyen (LITPACK)

Capacité du transport sédimentaire en fonction de l’orientation du trait de côte, à titre indicatif, pour le secteur Nord (au niveau de la borne B08) : transport net (bleu) et brut (rouge) ; le transport net est positif (négatif) vers le Nord (Sud).

DÉTERMINATION DE LA CAPACITE DE TRANSIT SÉDIMENTAIRE MOYENNE 1979-2014

37

Transit sédimentaire le long du tombolo occidental (la polyligne en rouge : zones en érosion, en vert : zones en accrétion).

IV. Modèle de

l’évolution du trait de

côte

1. Détermination de

l’évolution de la ligne

du rivage

2. Détermination de la

capacite de transit

sédimentaire

moyen (LITPACK)

3. CLASSIFICATION DE L’IMPORTANCE DES FACTEURS EROSIFS

38

Facteurs historiques, actuels ou futurs Impact faible moyen fort

Naturels La montée lente du niveau marin x Hydrodynamiques Surcotes x

Courants x Houles x

Tempêtes x Sédimentologique Taille du sédiment x Nature du fond Rocheux + banc de

grès x

Biocénose Posidonie x Géomorphologie Pente et orientation x

Humains Humains négatifs + positifs

Ouvrage x x x Tourisme x x

Introduction

I. Données disponibles

II. Analyse des données

III. Modélisation hydro-morphologique

IV. Modèle de l’évolution du trait de côte

V. Solutions de protection du littoral

Conclusions générales

39

ZONE NORD-CENTRAL

40

Changements des bathymétries du rechargement sans ouvrages de B07 à B11 en 2012.

V. Solutions de

protection du littoral

1. Proposition des

solutions de protection

du littoral

a. Rechargement

simple

ZONES DE NORD À CENTRAL

41

Changements des bathymétries pour un rechargement sans ouvrages dans les zones de Nord à Central en 2012.

V. Solutions de

protection du littoral

1. Proposition des

solutions de protection

du littoral

a. Rechargement

simple

B. EVOLUTION DES BATHYMÉTRIES DU RECHARGEMENT AVEC OUVRAGES EN 2012

Alternative 3 - rechargement avec une butée de pied (à gauche) et alternative 4 - rechargement avec une butée de pied et un épi (à droite) entre B07 et B11 en 2012.

42

RECHARGEMENT AVEC OUVRAGES

V. Solutions de

protection du littoral

1. Proposition des

solutions de protection

du littoral

a. Rechargement

simple

b. Rechargement avec

ouvrages

Alternative 5 - rechargement avec 3 butées de pied (à gauche) et alternative 6 - rechargement avec 3 butées de pied et 3 épis (à droite) dans les zones de Nord à Central en 2012. 43

ALTERNATIVES 7 -9

44

Alternative 7 avec 1 brise-lames immergé et 2 épis immergés (à gauche). Alternative 8 avec 5 brise-lames (au centre). Alternative 9 avec 5 brise-lames + 3 épis (à droite) dans les zones de Nord à Central.

V. Solutions de

protection du littoral

1. Proposition des

solutions de protection

du littoral

a. Rechargement

simple

b. Rechargement avec

ouvrages

c. Solutions dures

ALTERNATIVES 10-11

45

Alternative 10 avec 10 brise-lames (à gauche). Alternative 11 avec 10 brise-lames + 3 épis (à droite).

V. Solutions de

protection du littoral

1. Proposition des

solutions de protection

du littoral

a. Rechargement

simple

b. Rechargement avec

ouvrages

c. Solutions dures

ALTERNATIVES 12-14

• L’alternative 12 est la même que l’alternative 7, avec une bathymétrie rechargée de la borne B07 à B11.

• Les alternatives 13 et 14 sont les même que les

alternatives 8 et 9, respectivement, avec la bathymétrie rechargée dans la zone de B07 à B11.

46

V. Solutions de

protection du littoral

1. Proposition des

solutions de protection

du littoral

a. Rechargement

simple

b. Rechargement avec

ouvrages

c. Solutions dures

d. Solutions combinée

2. EVALUATION DE L’EFFICACITÉ DES SOLUTIONS ENVISAGÉES

47

Evolution du volume bathymétrique pour chaque solution dans la condition annuelle en Javier 2008 (à gauche) et tempétueuse du 24 Janvier 2007 (à droite).

2. EVALUATION DE L’EFFICACITÉ DES SOLUTIONS ENVISAGÉES

48

Transports sédimentaires pour chaque solution dans la condition annuelle en Javier 2008 (à gauche) et tempétueuse du 24 Janvier 2007 (à droite).

2. EVALUATION DE L’EFFICACITÉ DES SOLUTIONS ENVISAGÉES

49

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14Coe

ffic

ient

d’a

ttén

uatio

n

Alternative

KH - AnnuelKT - AnnuelKH - TempêteKT - Tempête

Coefficient de transmission des houles dans la condition annuelle en Javier 2008 et tempétueuse du 24 Janvier 2007.

CRITÈRES POUR CHOISIR LA SOLUTION

50

IV. Solutions de

protection du littoral

1. Proposition des

solutions de protection

du littoral

2. Evaluation de

l’efficacité des

solutions envisagées

3. Suggestions sur le

choix de la solution

globale protection du

tombolo ouest

ID Critères 1 Efficacité sur le volume d’évolution bathymétrique

2 Efficacité sur l’évolution du profil de plage et sur le transport de sable

3 Performance sur la réduction de vague

4 Accrétion de la dune

5 Préférence pour la solution douce

6 Coût

7 Impact minimal sur l’environnement

8 Prise en compte des activités de loisirs (tourisme, sport)

COMPARAISON DES SOLUTIONS

51

Groupe Alternative Critère 1 2 3 4 5 6 7 8

0

1 + - - - + + + + 2 - - - - + + + + 5 - - ++ - + - - + 6 - - ++ - + - - -- 7 + - - - - - - -- 8 + - + + - -- -- - 9 + - + + - -- -- --

1 3 + - ++ - + - - + 4 + - ++ - + - - + 12 + - ++ - - - - -

2 10 + + + + - -- -- - 11 + + + + - -- -- -- 13 + + ++ + - -- -- -- 14 + + ++ + - -- -- --

IV. Solutions de

protection du littoral

1. Proposition des

solutions de protection

du littoral

2. Evaluation de

l’efficacité des

solutions envisagées

3. Suggestions sur le

choix de la solution

globale protection du

tombolo ouest

Introduction

I. Données disponibles

II. Analyse des données

III. Modélisation hydro-morphologique

IV. Modèle de l’évolution du trait de côte

V. Solutions de protection du littoral

Conclusions générales

52

• Création une base de données des forçages du modèle;

• Analyse des facteurs dynamiques ;

• Utilisation MIKE21 afin de reproduire les régimes hydrodynamiques et morphologiques:

sur deux échelles régionale et locale;

en deux conditions normales et extrêmes;

• Détermination de l'évolution du trait de côte (DSAS et LITPACK).

• Détermination les causes de l’érosion du tombolo Ouest ;

• Proposition de solutions pour stabiliser le littoral.

RÉCAPITULATIF DES TRAVAUX

53

Conclusions générales

Récapitulatif des

travaux

• Sur les données d’entrée :

Nécessite d’affiner les mesures bathymetriques avant et après les épisodes tempétueux ;

Il faudrait faire une étude sur l’évolution des champs de posidonie.

• Sur la modélisation numérique :

Il faudrait ajouter la dissipation d’énergie des vagues dûe à la rugosité des posidonies dans MIKE ;

Le phénomène de franchissement et de destruction du la reconstitution annuelle de la dune au tombolo occidental n’ont pas été intégrés à notre modèle.

ENSEIGNEMENTS

54

Conclusions générales

Récapitulatif des

travaux

Enseignements

• Détails sur les solutions suggérées devront être clarifiés;

• Analyse des modifications bathymétriques à proximité

des structures ;

• Problème de la stabilité des ouvrages.

• Utilisation du modèle pour la prévention des risques

aux personnes et aux biens.

PERSPECTIVES

55

Conclusions générales

Récapitulatif des

travaux

Enseignements

Perspectives

MERCI POUR VOTRE

ATTENTION.

AVEZ-VOUS DES QUESTIONS ?

56