Les résultats obtenus par les deux formules de Karim (1995) et Brownlie (1983) (avec les deux formules de transport solide Meyer Peter et Müller (1948) et Engelund et Hansen (1967)) ne sont pas exploitables, ils présentent des erreurs considérables. Le lit en gravier de
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Chapitre VIII Etude du cas de l’oued Bousaâda
Etude critique du transport solide et ses conséquences dans les cours d’eau naturels 137 l’oued Bousaâda explique ces grandes erreurs, sachant que ces deux formules sont recommandées pour des lits avec dunes et rides souvent en sable.
Les résultats obtenus par la formule de Griffiths (1981) avec les deux formules de transport solide utilisées sont associés à des faibles erreurs, ce qui montre que les conditions de l’oued Bousaâda correspondent bien aux limites d’application de la formule. L’effet des formules de transport solide est observé dans les dimensions des dépôts à travers le tronçon simulé. Nous savons que pour la majorité des formules de transport solide, le frottement a un rôle déterminant, l’inverse n’est pas tout le temps juste. Par conséquent, la bonne estimation du frottement conduit à une bonne estimation du débit solide et l’inverse n’est pas vraie. Ce qui explique, pourquoi l’effet de transport solide était masqué derrière le frottement dans le cas de l’oued Bousaâda.
Les résultats des autres formules de perte de charge est fonction des lois de transport solide utilisée. En utilisant la formule de Meyer Peter et Müller (1948), la formule de Wu and Wang (1999 a donné des résultats acceptables ; mais en changeant la formule de transport solide à Engelund en Hansen (1967), c’est la formule de Yu and Lim (2003) qui est meilleure.
A la fin, on peut conclure que si le frottement est mal calculé les résultats des modèles seront erronés quelque soit la formule de transport solide utilisée, et l’inverse n’est pas vrai.
Si les conditions du développement des formules de perte de charge sont respectées, la géométrie calculée généralement suit l’allure de la géométrie réelle avec des erreurs variables d’une simulation à l’autre. L’effet des formules de transport solide est moins important par rapport à celui du frottement ; il s’observe dans la taille des dépôts ou de l’érosion. Si on sort des limites d’application des formules, les résultats sont très influencés par le couple constitué par les formules de transport solide et de perte de charge
.
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Conclusion générale et perspectives
Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés aux modèles 1D destinés aux cours d’eau naturels à fonds mobiles. Ce type de modèle est le plus adapté pour simuler les événements très longs sur des longues distances.
L’analyse de la littérature montre une richesse en modèles 1D qui diffèrent dans leur mise en équation, leurs méthodes de solution et leurs lois de transport et de frottement. Le travail est orienté pour toucher les deux aspects de développement et de critique des modèles 1D. Le champ de l’étude critique a été restreint à évaluer l’effet des termes de frottement et des lois de transport.
Le modèle développé dans cette thèse est basé sur les équations 1D de Saint-Venant résolu par un schéma aux différences finies de Preissmann. Ce modèle a été validé sur un ensemble d’expériences de laboratoire couvrant les deux types d’écoulements fluvial et torrentiel. Les résultats du modèle sur ces expériences étaient satisfaisants avec une erreur moyenne inférieure à 4%. Pour sa validation sur des cas réels, le modèle a été utilisé dans la simulation de la propagation des crues. Des crues réelles de trois rivières et un oued algérien ont été simulées. La comparaison des résultats des trois rivières avec les observations montre une atténuation des débits maximums de l’ordre de 17%, avec une erreur moyenne de l’ordre de 30%, ce qui montre que les résultats sont satisfaisants par rapport aux : incertitudes des mesures, aux longueurs des tronçons simulés et aux limites des modèles 1D. La simulation des crues centennale et quinquennale de l’oued Bousaâda a montré la marge d’erreur de l’estimation des débits des crues par l’approche hydrologique basée sur les précipitations. De ces simulations, il relève que le changement des formules de frottement peut influencer considérablement les résultats. Pour ce même cas, on remarque une différence de l’ordre de 10% entre les atténuations des pics des crues calculées par deux formules différentes de frottement. Ce constat est a été l’objet de l’étude de l’effet des lois de frottement dans le chapitre V.
Cette étude a été menée sur le code commercial Rubarbe (Cemagref) après avoir lui implémenté sept formules de frottement qui tiennent compte, en plus du frottement des grains du fond, du frottement dû aux différentes configurations du fond. En utilisant Rubarbe, 200 expériences de laboratoires sur fond rigides et mobiles avec transport solide ont été simulées avec les sept lois de frottement. Les erreurs moyennes normalisées entre les profondeurs d’eau calculées et mesurées sont très variables ; elles peuvent dépasser la valeur 100%. Par
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ailleurs, aucune formule n’est jugée universelle. Toutes les formules étudiées donnent de bons résultats dans leurs domaines de validité, mais, en dehors de ces domaines, certaines formules produisent des erreurs supérieures à 100%.
La formule de Strickler largement utilisée pour les fonds rigides, peut être utilisée pour les fonds mobiles exclusivement plats. Son extrapolation sur des fonds avec formes conduit à des faux résultats. Pour les fonds mobiles plats, la formule de Recking et al. (2008) fournit les meilleurs résultats, le même constat est observé dans les deux tests (un expérimental et l’autre de terrain) en écoulement non uniforme.
L’examen de l’effet de lois de transport solide montre qu’il est dépendant de celui du frottement. Le bon choix de la loi de perte de charge réduit les erreurs du code dans l’évaluation de la capacité de transport. Le contraire est vrai, même si la formule de transport solide est bien choisie. Dans les modèles numériques, le choix des lois de frottement est plus important que celui des lois de transport. Toutefois, les meilleurs résultats s’obtiennent quand les deux lois sont dans leurs domaines de validité.
Il est clair que, sur le terrain, les sources d’erreurs sont multiples à cause de la difficulté de mesurer les paramètres. Par conséquent, il est préférable, et même recommandé d’utiliser des formules robustes donnant des résultats avec moins d’incertitude que d’utiliser les formules faisant intervenir des paramètres difficilement mesurables sur le terrain.
L’étude du cas algérien montre l’avantage des modèles 1D dans la prévision de la morphologie des cours d’eau à long terme. Une période de 20 ans a été simulée avec succès sur le modèle Rubarbe ; sur un modèle de type 2D ou 3D, une simulation similaire nécessite des temps de calcul considérables. Les résultats obtenus sont variables en fonction des formules de frottement et de transport solide utilisées. Les meilleurs résultats sont obtenus avec la formule de Griffiths (1981) en utilisant l’une ou l’autre des deux formules de transport solide de Meyer Peter et Müller (1948) et d’Engelund et Hansen (1967). Ce résultat peut être expliqué par la nature granulaire du lit de l’oued, ce qui correspond parfaitement aux limites d’application de la formule de Griffiths. Puisque toutes les lois de transport solide font intervenir le frottement, leur effet est tout le temps masqué par ce lui du frottement.
Si les conditions de validité de formules sont respectées, les résultats -malgré les écarts variables- restent proches de la réalité. L’extrapolation des formules en dehors de leur validité doit se faire avec beaucoup de précaution ; les résultats peuvent être complètement erronés.
Il est toujours utile de rappeler que l’amélioration des lois de frottement existantes et la proposition d’autres lois sont d’un intérêt majeur, non seulement en ingénierie, mais
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140 également pour améliorer la modélisation 1D, 2D ou 3D. Malgré les avancées spectaculaires enregistrées ces dernières années en matière d’outils mathématiques et informatiques, la modélisation ne progresse que si les lois empiriques (dans notre cas, les lois de frottement et de transport solide) progressent au même rythme. Dans cet objectif, un effort supplémentaire doit être fourni pour améliorer les méthodes de mesure des paramètres sur le terrain.
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Conclusion générale et perspectives
Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés aux modèles 1D destinés aux cours d’eau naturels à fonds mobiles. Ce type de modèle est le plus adapté pour simuler les événements très longs sur des longues distances.
L’analyse de la littérature montre une richesse en modèles 1D qui diffèrent dans leur mise en équation, leurs méthodes de solution et leurs lois de transport et de frottement. Le travail est orienté pour toucher les deux aspects de développement et de critique des modèles 1D. Le champ de l’étude critique a été restreint à évaluer l’effet des termes de frottement et des lois de transport.
Le modèle développé dans cette thèse est basé sur les équations 1D de Saint-Venant résolu par un schéma aux différences finies de Preissmann. Ce modèle a été validé sur un ensemble d’expériences de laboratoire couvrant les deux types d’écoulements fluvial et torrentiel. Les résultats du modèle sur ces expériences étaient satisfaisants avec une erreur moyenne inférieure à 4%. Pour sa validation sur des cas réels, le modèle a été utilisé dans la simulation de la propagation des crues. Des crues réelles de trois rivières et un oued algérien ont été simulées. La comparaison des résultats des trois rivières avec les observations montre une atténuation des débits maximums de l’ordre de 17%, avec une erreur moyenne de l’ordre de 30%, ce qui montre que les résultats sont satisfaisants par rapport aux : incertitudes des mesures, aux longueurs des tronçons simulés et aux limites des modèles 1D. La simulation des crues centennale et quinquennale de l’oued Bousaâda a montré la marge d’erreur de l’estimation des débits des crues par l’approche hydrologique basée sur les précipitations. De ces simulations, il relève que le changement des formules de frottement peut influencer considérablement les résultats. Pour ce même cas, on remarque une différence de l’ordre de 10% entre les atténuations des pics des crues calculées par deux formules différentes de frottement. Ce constat est a été l’objet de l’étude de l’effet des lois de frottement dans le chapitre V.
Cette étude a été menée sur le code commercial Rubarbe (Cemagref) après avoir lui implémenté sept formules de frottement qui tiennent compte, en plus du frottement des grains du fond, du frottement dû aux différentes configurations du fond. En utilisant Rubarbe, 200 expériences de laboratoires sur fond rigides et mobiles avec transport solide ont été simulées avec les sept lois de frottement. Les erreurs moyennes normalisées entre les profondeurs d’eau calculées et mesurées sont très variables ; elles peuvent dépasser la valeur 100%. Par
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ailleurs, aucune formule n’est jugée universelle. Toutes les formules étudiées donnent de bons résultats dans leurs domaines de validité, mais, en dehors de ces domaines, certaines formules produisent des erreurs supérieures à 100%.
La formule de Strickler largement utilisée pour les fonds rigides, peut être utilisée pour les fonds mobiles exclusivement plats. Son extrapolation sur des fonds avec formes conduit à des faux résultats. Pour les fonds mobiles plats, la formule de Recking et al. (2008) fournit les meilleurs résultats, le même constat est observé dans les deux tests (un expérimental et l’autre de terrain) en écoulement non uniforme.
L’examen de l’effet de lois de transport solide montre qu’il est dépendant de celui du frottement. Le bon choix de la loi de perte de charge réduit les erreurs du code dans l’évaluation de la capacité de transport. Le contraire est vrai, même si la formule de transport solide est bien choisie. Dans les modèles numériques, le choix des lois de frottement est plus important que celui des lois de transport. Toutefois, les meilleurs résultats s’obtiennent quand les deux lois sont dans leurs domaines de validité.
Il est clair que, sur le terrain, les sources d’erreurs sont multiples à cause de la difficulté de mesurer les paramètres. Par conséquent, il est préférable, et même recommandé d’utiliser des formules robustes donnant des résultats avec moins d’incertitude que d’utiliser les formules faisant intervenir des paramètres difficilement mesurables sur le terrain.
L’étude du cas algérien montre l’avantage des modèles 1D dans la prévision de la morphologie des cours d’eau à long terme. Une période de 20 ans a été simulée avec succès sur le modèle Rubarbe ; sur un modèle de type 2D ou 3D, une simulation similaire nécessite des temps de calcul considérables. Les résultats obtenus sont variables en fonction des formules de frottement et de transport solide utilisées. Les meilleurs résultats sont obtenus avec la formule de Griffiths (1981) en utilisant l’une ou l’autre des deux formules de transport solide de Meyer Peter et Müller (1948) et d’Engelund et Hansen (1967). Ce résultat peut être expliqué par la nature granulaire du lit de l’oued, ce qui correspond parfaitement aux limites d’application de la formule de Griffiths. Puisque toutes les lois de transport solide font intervenir le frottement, leur effet est tout le temps masqué par ce lui du frottement.
Si les conditions de validité de formules sont respectées, les résultats -malgré les écarts variables- restent proches de la réalité. L’extrapolation des formules en dehors de leur validité doit se faire avec beaucoup de précaution ; les résultats peuvent être complètement erronés.
Il est toujours utile de rappeler que l’amélioration des lois de frottement existantes et la proposition d’autres lois sont d’un intérêt majeur, non seulement en ingénierie, mais
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140 également pour améliorer la modélisation 1D, 2D ou 3D. Malgré les avancées spectaculaires enregistrées ces dernières années en matière d’outils mathématiques et informatiques, la modélisation ne progresse que si les lois empiriques (dans notre cas, les lois de frottement et de transport solide) progressent au même rythme. Dans cet objectif, un effort supplémentaire doit être fourni pour améliorer les méthodes de mesure des paramètres sur le terrain.
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Références Bibliographiques
Aberle J., Smart G. M., (2003). The influence of roughness structure on flow resistance on steep slopes , Journal of hydraulic research, Vol. 41, No. 3, PP. 259-269
Ackers P., White W.R., (1973). Sediment transport: New approach and analysis. Journal of the hydraulics division-ASCE, 99(11), 2041-2060.
Acaroglu E.R., (1972). ‘Friction factors in solid material systems. J. Hydraul. Div., Am. Soc. Civ. Eng., 98(4), 681–699.
Achite M. et Meddi M.,( 2004). Estimation du transport solide dans le bassin versant de l’oued Haddad (Nord-Ouest algérien), Sécheresse 15(4), 367-373.
Achite M., and Ouillon S., (2007). Suspended sediment transport in semiarid wtareshed, Wadi Abd, Algeria (1973-1995). Journal of Hydrology 343, 187-202
Alam A. M.Z. and Kennedy J.F., (1969). Friction factor for flow in sand-bed channels, Journal of Hydraulics division., ASCE, 95(6), 1973-1992
Alonso C.V., (1980). Selecting a formula to estimate sediment transport capacity in non vegetated channels, CREAMS (A Field Scale Model for Chemicals, Runoff, and Erosion from Agricultural Management System), W.G. Knisel, ed., USDA, Conservation Research Report, No. 26, Washington, D.C., 426–439.
Armanini A. and Di Silvio G., (1988). A one-dimensional model for the transport of a sediment mixture in non-equilibrium conditions, Journal of Hydraulic Research, Vol 26, N°3, 275-295.
Baker V.R., Ritter D. F., (1975). Competence of rivers to transport coarse bedload material. Gel. Soc.
America bull., 86, p. 975-978
Bagnold R.A., (1966) .An approach to the sediment transport problem from general physics’, Professional Paper 422-J, USGS, Washington D.C., USA.
Bagnold R.A., (1973). The nature of saltation and of bed load transport in water’, Proc. Royal Society, Ser.
A, 332, 473–504.
Balayn, P. (2001). Contribution à la modélisation numérique de l’évolution morphologique des cours d’eau aménagés lors de crues. Thèse de doctorat, Université Claude Bernard, Lyon, France.
Baptista M., (1990). Contribution à l’étude de la propagation des crues hydrologiques, thèse de Doctorat, Paris : Ecole Nationale des Ponts et Chaussées.
Barekyan A. S., (1963).An Approach to the sediment Transport problem from General physics, U.S. Geol.
Survey, prof. paper, 442 –J.
Bell R.G. and Sutherland A.J. (1983). Non-equilibrium bed load transport by steady flows, J. Hydraulic Eng., ASCE, 109(3), 353–367.
Belleudy P. et Shüttrumpf H., (1994). Modélisation de l’évolution morphologique du Danube et de l’Isar. La houille blanche, N°4, 72-77.
Benkhaled A. et Remini B., (2003). Analyse de la relation de puissance : débit solide-débitliquide à l’échelle du bassin versant de l’Oued Wahrane (Algérie), Rev. Sci. Eau, 16(3), 333-356
Ben Slama E., Péron S., Belleudy P. et Rouas G., (1994). TSAR un modèle monodimensionnel de simulation des évolutions des fonds alluvionnaires des rivières, la houille blanche, N°4, 87-95
Bjerklie D.M., Dingman S.L., Vorosmarty C. J., Bolster C. H. and Congalton R.G., (2003). Evaluating the potential or measuring river discharge rom space, journal of hydrology, 278 (1-4), 17-38.
Bjerklie D.M., Dingman S.L., Vorosmarty C.J., Bolster C.H. (2005). Comparison of constitutive flow resistance equations based on the Manning and Chezy equations applied to natural rivers. Water resource research, 41, W11502.
Bouanani A., (2004). Hydrologie, Transport solide et modélisation Etude de quelques sous basins de la Tafna 5NW-Algérie), Thèse de doctorat d’état à l’université Abou Bekr Belkaid de Tlemcen, p. 249
141
CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref
Bray D. I., (1979). Estimating average velocity in gravel-bed rivers, Journal of hydraulic division, ASCE, Vol. 105, No.9, pp. 1103-1123
Brown P.P. and Lawer D.F., (2003). Sphere drag and settling velocity revisited. Journal of environmental engineering-ASCE, 129(3), 222-231.
Brownlie W R. (1981). Prediction of Flow Depth and Sediment Discharge in open channels. California: Rept.
Kh-R-43A, W. M. Keck Laboratory of hydraulics and Water resources California Institute of Technology:
Pasadina, Calif.
Brownlie W.R. (1983). Flow depth in sand-bed Channels, , Journal of hydraulics Engineering, Vol. 109 No.7, pp. 959-991
Camenen B., and Larson M., (2007). A unified sediment transport formulation for coastal inlet application, US Army corps of engineers, ERDC/CHL CR-07-1.
Cao Z., Day R., and Egashira S., (2002). Coupled and decoupled numerical modeling of flow and morphological evolution in alluvial rivers. J. Hydraul. Eng., ASCE, 128(3), 306-321.
Cardoso A.H., Neves, G.O., (1994). Prévision du transport solide total évaluation des formules existantes, La houille Blanche, 4, 13-22.
Carling P.A., (1983). Threshold of Coarse sediment transport n broad and narrow natural stream. Earth surface processes and landforms, 8, p. 1-18
Carstens M.R., (1966). An analytical and experimental study of bed ripples Under water waves. Quart. Repts.
8 and 9, Georgia inst. Of Tech School of Civil Engineering, Atlanta.
Chanson H., (2004). The hydraulics of open channel flow: an introduction. Second edition, Elsevier Butterworth-Heinmann, Oxford, P. 585.
Charlton F.G., Brown P.M. and Benson R.W., (1978). The hydraulic geometry of some gravel rivers in Britain., Rept. IT 180, Hydr. Res. Station, Wallingford, Engeland
Cheng N.S., (1997). Simplified settling velocity formula for sediment particle, Journal of hydraulic engineering-ASCE, 123(2), 149-152.
Chien N., (1980). Comparison of bed-load formulas. Chinese J. Hydraulic Eng., Chinese Assoc.of Hydr.
Eng., No. 4, 1–11.
Chien N., and Wan Z.H., (1983). Mechanics of sediment movement. Science Publications, Beijing (in Chinese). in [Wu, W., and Wang, S. S. Y., 1999, Movable bed roughness in alluvial rivers, Journal o Hydraulic Research, Vol. 41, No. 6, pp. 597-608.
Chow V.T., (1959). Open channel hydraulics, McGraw-Hill, New York, USA.
Chu H. and Mustafa M.G., (1979). A mathematical model for alluvial channel stability, Proceeding of engineering workshop on sediment hydraulics, California state university, Long Beach, Feb.3, pp. 130-150
Chu H. and Mustafa M.G., (1979). A mathematical model for alluvial channel stability, Proceeding of engineering workshop on sediment hydraulics, California state university, Long Beach, Feb.3, pp. 130-150
Colosimo C., Copertino V.A. and Veltri M., (1986). Average velocity estimation in gravel-bed rivers.’’ Proc., 5th IAHR-APD Congress, Seoul, Korea, Vol. 2, pp. 1–15.
Corriea L. P., (1992) Numerical modeling of unsteady channel flow over a mobile boundary. Thèse de Doctorat, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suisse, 143 p.
Correia L.P., Krishnappan B.G., and Graf W.H., (1992). Numerical modeling of unsteady sediment transport.
Journal of Hydraulics Engineering-ASCE; 118(3): 479-494.
Costa J. E., (1983). Palaeohydraulic reconstruction of flash flood peaks from boulder deposits I the Colorado front range. Geol. Sc. Of Amerce Bull., 94, 986-1004.
Cunge J A, Holly F M. and Verwey A., (1986). Practical Aspects of computational river Hydraulics. London:
Pitman Publ.; 250 p.
142
CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref
Dallavalle J., (1943). Micrometrics. Pitman, New York.
Dallavalle J., (1943). Micrometrics. Pitman, New York.