TRANSPORT SOLIDE EN SUSPENSION

Au fur et à mesure que la vitesse du courant s'accroît, dans un court d'eau, l'intensité de la turbulente et l'épaisseur de la couche turbulente s'accroissent également. On arrive finalement à un stade où les particules en saltation atteignent une hauteur au-dessus du fond où les forces ascensionnelles fluctuantes dues à la turbulence dépassent le poids des particules. A partir de ce moment, les particules ne suivent plus une trajectoire bien définie: au lieu de cela, elles suivent des trajectoires aléatoires, dans l'épaisseur du fluide.

Les matières solides, en suspension, sont des fractions de grains très fins qui sont transportés, essentiellement, en suspension. Ils peuvent se déposer, seulement, dans un grand réservoir où la vitesse peut être considérée comme nulle. Les dimensions des matières solides en suspension, sont en général, inférieures à 1,0 mm.

Elles sont transportées, essentiellement, de la région où le cours d’eau prend sa source. Le transport en suspension est le processus dominant du transit sédimentaire, puisqu’il représente 90 % de la charge totale transportée, annuellement, des fleuves vers les océans (Milliman et Meade, 1983). La figure I.9, définir les conditions dans les quelles il se produit un transport en suspension en tenant compte des forces de cisaillement et des forces de gravité (Bagnold, 1956, 1966) et aussi de la vitesse d'arrachement par rapport à la vitesse de chute (Einstein 1944).

Figure I. 9 Critère de suspension des sédiments

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Les travaux de Abbot et Francis, 1977, montre qu'il ya une suspension des sédiments lorsque le flux présente énormément d'énergie, c'est-à-dire lorsque la vitesse du flux est nettement supérieure aux conditions critiques de mise en mouvement (Figure I.10).

Remarquons que la mise en mouvement des particules d'un diamètre donné se fait au-delà d'un seuil critique.

Figure I.10 Pourcentage du temps quand des particules progressent, selon différents modes de transport, en fonction de l'intensité de flux (d'après Abbot et

Francis, 1977)

La mesure et la caractérisation des matières en suspension (MES) en transit ont fait l’objet de multiples études (Asselman, 1999 ; Corbonnois, 1991, 1998 ; Golz, 1990 ; Gomez et al., 1993 ; Green et al., 1999 ; Klein, 1982, 1984 ; O’Riordan et al.

1996 ; Owens et Walling, 2002 ; Picouet et al.,2001 ; Restrepo et Kjerfve, 2000 ; Rondeau et al., 2000 ; Serrat et al., 2001 ; Van Wilgaarden, 1999 ; Walling et al., 2000; Martin, 2003 ; Antonelli, 2002).

Notons, aussi, l’étude de Gomez et al. (1993) qui ont pu évaluer la charge en suspension, par analyse d’images satellites, pour une crue importante du Mississipi (Q= 12320 m³/s) ; récurrence supérieure à 100 ans). Là, encore, les données ont été calibrées, grâce à des prélèvements des matières en suspension. Cette technique qui entraîne, certainement, une image d’erreur sur l’estimation globale est néanmoins intéressante, dans la mesure où, elle permet d’obtenir une distribution spatiale en 2D des matières en suspension en crue. Son application aux cours d’eau algériens pourrait être envisagée pour estimer les flux des événements, les plus intenses, le cas du bassin Rhumel et Soummam, pendant lesquels les mesures sont difficiles à réaliser (vitesses de courant élevées, soudaineté de l’événement).

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Les estimations annuelles sont, ensuite, établies en appliquant la concentration ainsi calculée à la chronique des débits journaliers. On notera cependant que la relation n’est valable que pour le cours d’eau lequel elle a été établie et sur la gamme des débits liquides sur laquelle les meures ont été effectuées. On tiendra également que bien que significatives ces relations sont parfois difficilement applicables aux débits les plus élevées. Par exemple, en réexaminant les données proposées par Restrepo et Kjerfve (2000) sur le fleuve Magdalena (Colombie, 257 000 Km², débit moyen annuel de 7200 m³/s), on peut constater que la relation, bien que significative (R² = 0.76) peut être en fait séparée en deux ensembles. En delà de 7500 m³/s, la relation débits-MES semblent satisfaisante, tandis qu’au-delà de 7500 m³/s, le nuage de point est très dispersé. Les auteurs ne mentionnent cependant pas cette anomalie dans leur analyse qui pourrait être liée à la variabilité, des apports solides et des crues qui affectent ce vaste bassin versant.

La distribution spatiale de la charge en suspension dans le chenal dépend, en partie, de la granulométrie des sédiments. Einsten (1950) et Bagnold (1966) indiquent que celle-ci ne peut se maintenir, en suspension, que par la présence de turbulence dans l’écoulement.

Depuis le fond de chenal, Passega (1963), Bravard et Petit (1997), Knighton (1998) décrivent une suspension graduée qui correspond à un gradient de concentration et de granulométrie décroissant au fur et à mesure que l’on s’éloigne du fond. Passega (1963) indique que cette suspension graduée atteint jusqu’à 20 mètres de hauteur sur le Mississipi.

Au-dessous de cette couche, se développe la suspension uniforme, dans laquelle les concentrations, en sédiment, se répartissent uniformément sur la section. Le matériel transporté est essentiellement composé de limons et d’argiles (Shumm, 1977;

Bravard et Petit, 1998, Knighton, 1998). En période de faible hydraulicité et en l’absence de suspension graduée, la suspension uniforme se développe, sur l’ensemble de la colonne d’eau.

Cependant Passega (1957) a également démontré que dans les organismes turbulents, les tailles des MES prélevés en flux ne s’organisent pas en fonction de la profondeur.

D’autre part, Walling et al. (2000) ont montré que la granulométrie ne semblait pas entretenir de relation directe avec le débit des rivières Tweed et Humber (Angleterre) bien que des tendances d’évolution parallèle aient été mises en évidence.

Selon ces auteurs, la granulométrie des MES est davantage contrôlée, par la diversité lithologique du bassin versant, par les capacités de production sédimentaire du bassin versant et par la taille des sédiments stockés sur les berges et dans le chenal que par les débits et les paramètres hydrauliques du chenal (Walling et al., 2000). Ils constatent néanmoins que les crues permettent l’arrivée massive de sédiment plus grossier, notamment pendant la phase de montée des eaux. Ceci est confirmé par de nombreux auteurs (Corbonnois, 1991, 1998 ; Asselman, 1999 ; Restrepo et Kjerfve,

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2000 ; Picouet et al, 2001). Notons également que Klein (1984) met en évidence des phases de décrue plus chargées que les phases de montée des eaux. Cependant, ces phénomènes ont essentiellement été observés, dans de petits bassins-versants. Dans le travail de Antonelli, 2001, les mesures ont montré l'existence d'une organisation spatio-temporelle, des flux de MES, contrôlée par la valeur de débit, la morphologie des sites étudiés, la phase de la crue et l'origine des masses d'eau.