Questionnements scientifiques et objectifs

L’analyse du devenir du matériel particulaire d’origine continentale au travers d’un estuaire est complexe de par la pluralité des processus intra-estuariens et côtiers, comme

décrit précédemment (Castaing, 1981; Sottolichio, 1999; Le Hir et al., 2001; Lesueur et al., 2002).

Pour tenter de modéliser les processus propres à l’estuaire, plusieurs approches ont permis de représenter la formation du bouchon vaseux (e.g. thèses de De Grandpré et Du Penhoat, 1978 ; (Li and Hua, 1994; Sottolichio, 1999). Les plus récentes d’entre elles ont permis de préciser l’importance relative des mécanismes prépondérants dans la formation du bouchon vaseux (Sottolichio, 1999; Benaouda, 2008) et de modéliser les évolutions morphologiques des îles girondines (Van, 2013) et de certaines structures sableuses caractéristiques d’un milieu estuarien ouvert (Mallet, 1998). Doxaran (2002) a évalué ces approches de modélisation numérique de l’estuaire à partir d’images satellite. En revanche, des questions persistent sur les interactions entre les particules fines et les vasières latérales, agissant sur le piégeage de sédiments fins au sein de l’estuaire et, de ce fait, impactant les flux exportés par l’estuaire vers le plateau aquitain.

Malgré le nombre conséquent d’études réalisées sur cet estuaire et ses structures turbides, ce site manque cruellement de données in-situ réellement représentatives de la dynamique sédimentaire en présence. Le réseau de mesures haute fréquence dont dispose l’estuaire depuis 2004 (MAGEST) ne comprend qu’une seule station dans l’estuaire « amont-aval », située dans l’estuaire central à Pauillac (PK 45) ; une deuxième station a été déployée à l’embouchure depuis seulement avril 2017. De plus, les mesures effectuées uniquement en surface et proche de la berge, ne sont pas forcément représentatives de la variabilité spatiale (longitudinale et transversale) de la turbidité dans l’estuaire.

Les processus sédimentaires agissant à l’embouchure et sur le plateau continental, et notamment ceux influençant le piégeage des particules dans les vasières subtidales Ouest- et Sud-Gironde, sont également essentiels pour retracer la trajectoire des sédiments fins potentiellement contaminés venant de l’estuaire. Les caractéristiques sédimentaires de celles-ci ont été décrites par Lesueur et al. (2002) de manière assez précelles-cise. En revanche, la dynamique sédimentaire associée à ces vasières subtidales reste assez peu documenté, bien que primordiale pour identifier les risques de contamination des secteurs côtiers adjacents et leur évolution morpho-sédimentaire. Aucune modélisation n’a encore été entreprise pour simuler la dynamique des particules fines dans ces structures et l’influence des conditions hydrométéorologiques sur leur respiration (efficacité du piégeage, resuspension éventuelle ou piégeage définitif).

Dans le cadre du projet ANR AMORAD (Axe Marin – Volet sédimentaire, 2013-2019), cette thèse vise à contribuer à l’amélioration de la compréhension des flux de matières potentiellement contaminées, issues principalement des apports terrigènes délivrés par l’estuaire. L’objectif principal est donc d’aborder la problématique liée aux transferts de particules fines de l’estuaire de la Gironde au plateau continental, principalement par une approche de modélisation numérique, pour :

 analyser l’influence des évènements hydrométéorologiques (crue/étiage, tempêtes) sur les flux particulaires ;

 déterminer les zones privilégiées d’accumulation ou de dispersion des sédiments d’origine continentale potentiellement contaminés sur le plateau continental, et notamment le rôle de la vasière Ouest Gironde dans le piégeage de ceux-ci.

L’originalité de ces travaux s’inscrit également dans la complexité et l’exhaustivité de l’étude, encore jamais atteinte en Gironde sur un domaine d’étude aussi vaste (estuaire et plateau) et des échelles de temps aussi longues (pluriannuelles). Pour une modélisation la plus réaliste possible, une approche 3D a été choisie pour s’assurer, entre autres, d’une bonne représentation des effets de gradients de densité et des asymétries de transport longitudinales et transversales. Une telle approche par modélisation 3D a également l’avantage de fournir une résolution spatio-temporelle très riche permettant de s’intéresser aux flux et bilans sédimentaires à différentes échelles. Cela représente un atout considérable par rapport à la mesure in-situ généralement ponctuelle et limitée dans le temps. De plus, l’étude s’attache à représenter la variabilité des caractéristiques de MES, en intégrant des classes de sédiments cohésifs (vase) et non-cohésifs (sables, gravier). L’étude intègre également les effets de floculation sur la vitesse de chute des vases et s’applique à représenter une colonne sédimentaire où les effets de consolidation du sédiment sont pris en compte. Enfin, en vue d’une représentation la plus réaliste possible de la dynamique de la zone d’étude, le modèle est forcé par les champs réalistes de marée, vent, vagues, débits fluviaux et surcotes à des échelles pluriannuelles.

Organisation du mémoire

Suite à ce chapitre introductif, le deuxième chapitre est consacré à la description du cadre méthodologique de cette étude. Y sont décrites la stratégie générale de modélisation ainsi que la méthodologie adoptée pour construire les apports solides des fleuves, nécessaires à une bonne représentativité des flux solides entrants du modèle. Les connaissances sur la distribution des sédiments superficiels et leur granulométrie dans la zone d’étude sont synthétisées, permettant de déterminer l’initialisation du sédiment dans le modèle et le choix des types de particules représentatives pour l'ensemble du domaine. Enfin, les données in-situ utilisées pour la validation du modèle sont également décrites.

Le troisième chapitre a pour objectif d’évaluer l’incertitude associée aux flux de sédiments simulés à l’embouchure de l’estuaire sur la base d’une étude de sensibilité du modèle au paramétrage sédimentaire. Il se structure en plusieurs parties comprenant : (i) la validation du modèle en hydrodynamique, puis en concentration en MES de surface sur la zone intra-estuarienne ; (ii) l’analyse de sensibilité de ces concentrations et des flux de MES simulés à l’embouchure ; et (iii) la quantification des incertitudes associées aux flux de MES à l’embouchure, laquelle s’effectue grâce à une définition de sets de paramètres équifinaux (i.e. pour lesquels les performances du modèle sont équivalentes, par comparaison aux mesures in-situ disponibles). La variabilité des flux sédimentaires simulés pour les différents jeux de paramètres équifinaux est utilisée comme indicatrice des incertitudes pouvant être attribuées au jeu de paramètres choisi. ette étude a fait l’objet d’une publication soumise dans une revue scientifique de rang A.

Le quatrième chapitre porte sur l’analyse de la dynamique des flux de MES à l’embouchure à des échelles pluriannuelles. Il vise notamment à déterminer une période de

spin-up suffisante à la stabilisation sédimentaire du modèle en termes de flux résiduels à travers plusieurs sections, mais également en termes de couverture sédimentaire. Il relate ensuite la validation du modèle par comparaison à des données de validation sur le plateau continental et dans la partie intra-estuarienne.

Basé sur le modèle précédemment validé, le cinquième chapitre présente la variabilité des flux sédimentaires au niveau de l’embouchure. Il décrit notamment la variabilité associée au cycle hydrologique saisonnier et au cycle VE-ME, en distinguant les différents comportements pour chaque classe de sédiments représentées par le modèle.

Enfin, sur la base de simulations numériques effectuées sur plusieurs années et comprenant un traçage de l’origine des vases en présence, le dernier chapitre vise à mettre en évidence les zones d’accumulation/dispersion des différentes vases sur le domaine d’étude. De plus, il s’attache à décrire la dynamique de la VOG en réponse aux forçages hydrométéorologiques, en décrivant l’origine des vases déposées dans cette zone.