TRANSPORT PAR CHARRIAGE ET SALTATION .1 Définition .1 Définition

On appelle transport solide par charriage et saltation, le mode de transport de sédiments où les particules roulent, glissent ou éventuellement par des sauts, par saltation, mais reste très proches du fond, ne quittant celui-ci que temporairement. Les particules se déplacent de façon intermittente ; le transport aléatoire de la turbulence joue ici un rôle important. La direction du mouvement est en gros parallèle, au fond et les accélérations verticales sont faibles. Ces particules qui se déplacent constamment, près du fond, à tout instant, constituent le transport de fond du cours d'eau.

4.1.1 La charge de fond

Une définition générale a été formulée par Einstein (1950) et reprise par de nombreux auteurs (Bagnold, 1966 ; Engelund et Fredsoe, 1976 ; Knighton, 1998) : la charge de fond correspond à l’ensemble des sédiments transit dans la couche de fond.

L’épaisseur de cette dernière est d’environ deux fois le diamètre des sédiments constituant le fond de chenal (Einstein, 1950 ; Bagnold, 1966). Les sédiments de cette couche peuvent être déplacés, par charriage et saltation. Le charriage ne s’applique qu’aux sédiments non généralement incluse au charriage, ses limites (charriage-saltation et (charriage-saltation-suspension) étant difficilement définissables (Frenette, 1996).

Les différentes thématiques, relatives à la charge de fond (quantification, mises en mouvement, équations) sont souvent menées, dans des organismes à charge de fond graveleuses (Meyer-Peter et Muler, 1948 ;Gilbert, 1975; Einstein, 1950 ; Acquers et White, 1973 ; Fernandez Luques et Van Beek, 1976 ; Ergenzinger et Conrady, 1982 ; Emmet, 1984 ; Robert, , 1996 ; Sear, 1996 ; Robert et al., 1997 ; Western et al., 1997 ; Haschenburger et Church, 1998 ; Ryan et Porth, 1999 ; Thompson et al., 1999 ; Carbonneau et Bergeron, 2000 ; Doyle et Shields., 2000 ; Garcia et al., 2000 ; Thompson et Hoffman, 2001 ; Zimmerman et Church, 2001 : Racosczi et Szekeres, 2002. ; Fort et al., 2002 ; Surian, 2002).

La majorité des formules citées ne permettent pas évaluer la valeur réelle, mais la valeur maximale des quantités de granulats qu’un écoulement uniforme. Ces formules ne donnent pas, toujours, des bons résultats, pour des granulats de diamètre non uniforme.

Les méthodes actuelles, de calcul du débit solide, de transport par charriage et par saltation, reviennent à poser que ce débit dépend essentiellement, des éléments suivants : tension de frottement à la paroi, vitesse moyenne d’écoulement.

Les travaux, sur les organismes, à charge de fond sableuse sont moins nombreux (Golz, 1990 ; Guillen et al., 1992 ; Simon et Darrby, 1997 ; Van Den Berg et Van Gelder, 1998 ; Belaud et Paquier, 2000 ; Carling et al., 2000 ; Molilinas et Wu, 2001 ; Dinehart, 2002) et/ou concernant souvent les zones de transition entre la charge de fond graveleuse et sableuse (Jiongxin, 1996 ; Sambroook Smith et Ferguson, 1996 ; Kleinhans, 2001 ; Knighton, 1999a).

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La granulométrie de la charge de fond décroît de l’amont vers l’aval, par trigranulométrique et /ou abrasion des particules. La part relative à chacun de ces

processus reste encore contradictoire, selon les études comme souligne Surian (1999) et Knighton (1999b). Les apports d’affluents peuvent permettre l’accroissement local de la granulométrie, tout comme les extractions et l’incision des chenaux à l’aval des barrages modifiant alors les modèles d’affinements granulométriques (Surian, 1999).

Dans les organismes, à fond sableux et /ou mixte, il semble que les dunes hydrauliques jouent également un rôle essentiel, dans le transit sédimentaire (Kleinhans, 2001 ; Carling et al., 2000). Kleinhans (2001) a proposé un modèle conceptuel de l’organisation sédimentaire des dunes dans un lit à charge mixte (figure I.7) qui montre l’impact des plus fortes débits dans la structuration/déstructuration des formes, alors que les débits moindres entraînent des modifications uniquement à la surface des anciens dépôts. Les dunes hydrauliques peuvent être également entièrement sableuses comme celles observées sur le Rhin par Golz (1990) et Carling et al. (2000) où dans le Rhône deltaïque (Arnaud-Fassetta et al., 1996 ; Quisserne, 2000). Leur progression se fait par avalanche du matériel, sur la face avale, de la dune et se produit généralement durant les crues. Elles présentent, en général, un grano-classement vertical positif. Leur progression peut être rapide : les mesures de Carling et al. (2000) sur le Rhin montrent que les petites dunes peuvent se déplacer à la vitesse de 1 à 3 mm/s, les plus grandes migrent de 3 m/j. Les grandes dunes peuvent être surmontées des dunes plus réduites à la surface desquelles peuvent également se développer des rides. Dans le Rhône aval, l’auteur a observé une organisation à deux niveaux de dunes. Une investigation instrumentée, selon la méthode proposée, par Kleinhans (2001), permettrait une meilleure connaissance des formes deltaïques mais serait probablement perturbée, par la présence des mégaformes que constituent les seuils et mouilles qui jalonnent le fleuve.

Figure I.7 Modèle d’évolution de forme et du lit du tri granulométrique de dunes mixtes (graviers-sables) en Kleinans, 2001).

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La mise en mouvement de la charge de fond est classiquement déduite, par la vitesse critique d’érosion, introduite par Hjulstrom (Petit et al., 2000). Cependant, Bravard et petit (1997) émettent quelques réserves quant à son utilisation, en raison notamment de la mauvaise définition des paramètres à utiliser. De plus, il semble que les valeurs de vitesses critiques mesurées postérieurement soient inférieures à celles déduites des courbes de Hjulstrom.

Petit et al. (2000) notent que la notion de contrainte critique (ou force de cisaillement critique, notée τc) est actuellement, en plein essor, en géomorphologie fluviale. Lorsque la contrainte de cisaillement au fond exercée, par le fluide (τ₀) est inférieure à la force tractrice critique de mise en mouvement des sédiments (τ_c), il y a immobilité du matériel. Dans le cas contraire (τ0>τc), il y a une mise en mouvement des sédiments (Leopold et al., 1964 ; Frenette, 1996 ; Bravard et Petit, 1997 ; Knighton, 1998). La force tractrice critique, des sédiments grossiers, peut être déterminée à l’aide du diagramme de Shields (figure I.8) bien que des modifications aient été apportées, en fonction de la densité des matériaux (Millier et al., 1977) et que des expériences en milieux naturel, montrent des limites différentes (citées par Bravard et Petit, 1997). Frenette (1996) a longuement décrit les conditions de mise en mouvement de la charge de fond. D’après l’auteur, sa mise en mouvement dépend des caractéristiques du matériel de fond (taille, forme, densité) ; des effets inter-granulaires (granulométrie, arrangement au fond, également mis en évidence par Petit (1987-1989), des forces hydrodynamiques moyennes et des fluctuations turbulentes de l’hydrodynamique. Pour les sédiments sableux, on peut retenir la relation τc = D comme le suggèrent Loepold et al. (1964).

Figure I.8 Diagramme de Shields modifié par Bagnold (Bagnold, 1996)

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Le second moyen de quantifier la mise en mouvement passe, par le calcul de la puissance critique, proposée, par Bagnold (1980) et dont la simplification mathématique aboutit à une relation (Petit et al., 2000) qui tienne compte de la taille du matériel et la profondeur du chenal. Néanmoins que cette équation repose sur des paramètres moyens (profondeur, diamètre) aboutissent à une approximation des vitesses critiques de mise en mouvement. Les mesures en milieux naturels s’éloignent, en effet, les unes des autres, selon les caractéristiques géomorphologiques des organismes étudiés (Petit et al., 2000).