Thèse Aurelien GANGLOFF ( dec. 2014 - dec. 2017)

Devenir des apports solides du Rhône dans le Golfe du Lion : contribution relative des transferts liés à la dynamique du panache et aux remises en suspension par des tempêtes

Contexte et problématique

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre du projet AMORAD (Amélioration des MOdèles de prévision de la dispersion et d'évaluation de l'impact des RADionucléides au sein de l'environnement). Ce projet, coordonné par l'IRSN (janvier 2014 - fin 2019) a pour objectifs de développer des outils d’évaluation et des méthodes d’expertise pour étudier l’impact de rejets radioactifs, aidant à améliorer la gestion des situations de crises en cas de rejet accidentel de radionucléides dans l’environnement (ex: Fukushima). Ici, le terrain d'étude est situé au niveau du plateau à l'exutoire du bassin versant du Rhône, à savoir le Golfe du Lion (GoL - voir Fig. 2).

La principale interrogation porte donc sur le devenir des particules issues du Rhône, de son Prodelta au GoL. Afin d'y répondre au mieux, un modèle de transport sédimentaire (basé sur le modèle hydrodynamique MARS-3D couplé au module sédimentaire MUSTANG) adapté à la zone est en cours de réalisation et plusieurs études sont menées :

  1. la caractérisation des matières en suspension (MES), effectuée grâce aux données collectées en mer, ayant pour but de mieux contraindre un des paramètres clefs du modèle : la vitesse de chute des particules ;
  2. l'étude de la dynamique du panache turbide du Rhône en réponse aux forçages dominants dans le GoL (vents et débit du Rhône), en utilisant des données issues d'images satellite ;
  3. l'étude du devenir des particules rhodaniennes du Prodelta au GoL (où se déposent-elles ? quand sont-elles remises en suspension ?) et l'estimation de flux sédimentaires par la modélisation numérique, en mettant l'accent sur des évènements extrêmes tels que des crues du Rhône ou des tempêtes de SE.

1. Caractéristiques des MES à l'embouchure du Rhône

 À l'aide de données collectées en mer telles que la salinité, la température, la chlorophylle-a, la concentration en MES ou la distribution en taille de ces MES, les caractéristiques physiques des MES sont étudiées (taille, densité, vitesse de chute). Ceci dans le but d'identifier ou non une variabilité de ces caractéristiques dans l'espace (que les particules soient situées dans le panache ou non par exemple), dans le temps (en fonction de la saison, de l'intensité du débit du Rhône) et en fonction différents paramètres physico-chimiques (ex: chlorophylle-a, salinité). La signature de ces particules permet de contraindre certains paramètres du modèle tel que leur vitesse de chute.

2. Réponse du panache turbide du Rhône aux forçages dominants dans le GoL : utilisation de données issues d'images satellite (MERIS-300m)

La dynamique et les différents patterns du panache du Rhône sont ici étudiés à l'échelle d'une décennie et à l'échelle événementielle (crue ou tempête par exemple), et mis en relation avec les différents forçages dominants de la zone d'étude qui sont les vents continentaux (Mistral et Tramontane), les vents Marins (du sud-est) et le débit du Rhône. Cette étude est basée sur l'utilisation d'un jeu de données d'images satellites de résolution moyenne (300 m) sur une longue période (10 ans, de 2002 à 2012). À partir des réflectances mesurées par le capteur MERIS à différentes longueurs d'onde, il est possible de dresser des cartes de concentration en MES (Fig. 5) desquelles il est possible de tirer différentes information sur le panache du Rhône.

Un outil d'extraction de métriques a été développé, permettant, pour chaque image retenue,  d'obtenir des informations telles la limite du panache, son aire, ses concentrations en MES moyennes et maximales, son orientation ou encore son centre géométrique par exemple (détails sur la méthode dans Gangloff et al, submitted). Voici un aperçu des résultats obtenus de ces informations, mises en lien avec les différentes données de forçage à disposition (direction et intensité du vent, débit du Rhône) :

  • Le panache est le plus étendu et le plus concentré en particules pendant les mois de novembre, décembre et janvier, avec des concentrations moyennes toujours supérieures à 15 mg/l proche de l'embouchure et jusqu'à 5 mg/l plus au large. Pendant ces mois, le panache s'étend sur plus de 250 km2 pour 25 % du temps. le reste du temps, le panache s'étend sur une moins grande aire et, de mai à octobre, un panache assez petit (aire médiane comprise entre 5 et 32 km2) et dilué est observé. Ce dernier est caractérisé par de faibles concentrations moyennes (4-5 mg/l). Cette tendance saisonnière suit celle du débit du Rhône et une relation entre l'aire du panache et le débit du Rhône a pu être mise en évidence (Fig. 6-a).
  • Concernant les forçages météorologiques, les résultats montrent que l'orientation du vent n'impacte pas la relation linéaire observée entre l'aire du panache et le débit du Rhône. Les vents marins (en rouge sur la Fig. 6) ont tendance à plaquer le panache turbide à la côte tandis que le Mistral et la Tramontane étirent le panache vers le sud, au-delà de la limite de la zone d'étude. L'intensité du vent ne semble pas agir directement sur l'extension du panache vers le sud en conditions de vents continentaux alors que c'est le cas pour les vents de mer : plus le vent est fort, plus le panache est plaqué à la côte (Fig. 6-b).

3. Modélisation du transport sédimentaire au niveau du Golfe du Lion

Le modèle utilisé est un couplage du modèle hydrodynamique MARS3D (Lazure and Dumas, 2001) avec le module sédimentaire MUSTANG (anciennement MIXSED - Le Hir et al, 2011). Afin de mieux représenter la dynamique sédimentaire proche de l'embouchure du Rhône, un zoom AGRIF a été mis en place (résolution de 240 m - voir Fig. 7) au niveau du Prodelta. La bathymétrie et le fond sédimentaire sont initialisés et les conditions aux frontières ouvertes (paramètres hydrologiques - vitesses, salinité, température...) sont issues de résultats d'un modèle de plus grande emprise : MENOR. Les conditions météorologiques et les vagues sont prises en compte dans le modèle sous forme de forçages (issus des résultats de simulation de modèles ARPEGEHR et WaveWatchIII, respectivement).

Les particules venant du Rhône sont tracées afin d'étudier leur devenir à leur entrée en mer côtière et estimer quel proportion se retrouve piégée dans le Prodelta (chute à l'embouchure) ou advectée plus au large, auquel cas il est possible de savoir dans quelle direction, en fonction des différents forçages météorologiques et hydrologiques. Les sédiments déjà présents dans le Prodelta sont également tracés afin d'étudier leur remise en suspension lors de forts coups de vent de sud-est, générant de fortes houles et des courants importants, susceptibles de les remettre en suspension et de les advecter hors de la zone du Prodelta.