Contribution à la propagation de la marée en Loire

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Submitted on 29 Apr 2017

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Contribution à la propagation de la marée en Loire

O. A. Khalifa, Pierre Thomas, Yvon Riou

To cite this version:

O. A. Khalifa, Pierre Thomas, Yvon Riou. Contribution à la propagation de la marée en Loire. Journal de la Recherche Océanographique, 1993, 18. �hal-01005998�

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CONTRffiUTION A L'ETUDE DE LA PROPAGATION

DE LA MAREE EN LOIRE

O.A., KHALIFA, Y., RIOU, P., THOMAS.

I.U.T., Laboratoire de Génie Civil, ENSM, Nantes B.P. 420, 44606F, Saint-Nazaire Cedex France

CONTRIBUTION TO A STUDY ON TIDE PROPAGATION IN THE RIVER LOIRE

Key words : tide, propagation, River, Loire

Abstract

The remarkable increase in the tonnage of ships sailing up the River Loire to supply the ports of Saint-Nazaire, Montoir, Donges. Cordemais and Nantes has resulted in higher costsfor channel maintenance, owing

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the regular dredging operations required. Significant savings on dredging costs can be made by optimizing ship movement in accordance with the tide. A Channeling Application Pro gram modelizing the flows and ship movements has been devised to simula te ship paths. lt soon became obvious thal the accuracy of the Channelling Application Pro gram depended on water height prediction in the channel. A comparative stu-dy on tide observation at five stations located between Saint-Nazaire and Nantes and on tide prediction by the harmonie ana/y sis method at these points was undertaken. This revealed the influence of the river flow rate and stressed the need to quanti/y predic-tion inaccuracy. A correcpredic-tion methodology is suggested here and is currently being put into practice.

These studies were carried out in the framework of contracts between the Port Autonome de Nantes 1 Saint-Nazaire, l'Ecole Nationale Supérieure de Mécanique de Nantes and l'Institut Universitaire de Technologie de Saint-Nazaire.

Mots-clés : marée, propagation, fleuve, Loire

INTRODUCTION

L'accroissement sensible du tonnage des navires remon-tant la Loire pour desservir les ports de Saint-Nazaire, Montoir, Donges, Cordemais et Nantes entraîne les sur-coQts d'entretien du chenal inhérents aux régulières opéra-tions de dragages. L'objectif de cette étude est de tirer le mei1leur parti de ce phénomène périodique et naturel qu'est la marée, qui peut engendrer des variations de hau-teur supérieures à 6 mètres. Pour y parvenir, il faut d'abord pouvoir établir une prédiction du phénomène, c'est à dire connaître à tout instant la hauteur dans le chenal. Il faut ensuite mettre au point un modèle hydraulique de chenala-ge permettant de calculer en tout lieu la hauteur d'eau sous la quilJe d'un navire donné se déplaçant dans le chenal. Pour cela, nous avons développé différents codes de calculs permettant la prédiction de la marée et la simulation des mouvements de navires dans le chenal intérieur de la Loire. Il s'est rapidement avéré que la précision du programme de chenalage dépend en grande partie de celle de la méthode de prédiction. Nous avons alors particulièrement mis l'accent sur la confrontation expérimentale des hauteurs d'eau prédites et mesurées en cinq stations réparties sur le chenal entre Saint-Nazaire et Nantes, grâce à un réseau de télémarégraphes.

Dans cette étude, qui fait suite aux travaux de Pau1(1986) et Riou (1987), nous avons cherché à quantifier ces impréci-sions et à mettre en évidence les effets des perturbations atmosphériques sur la marée en Loire. Nous avons en par-ticulier isolé l'effet du débit fluvial amont sur la prédiction entre Nantes et Saint-Nazaire. Ceci nous a permis de déga-ger une méthodologie de travail qui devra sensiblement améliorer les résultats de la prédiction, et par là ceux du chenal age.

MESURES

La prédiction de la marée nécessitant une expérimentation continue, la Loire est équipée d'une douzaine de maré-graphes classiques échelonnés entre la station de Oudon à 25 km environ à l'amont de Nantes, et celle de Saint-Gildas

à l'embouchure. En 1978, le PANSN a équipé

six de ces sta-tions d'automates capable de numériser les informasta-tions acquises par un marégraphe à flotteur, de les coder et de les acheminer par voie hertzienne, vers une station de regrou-pement. Chaque station marégraphique est autonome et émet ses informations au cours d'un créneau temporel qui lui est affecté dans un cycle de cinq nùnutes.

MODELES

a. La prédiction de la marée par la méthode harmonique

La prédiction de la marée peut être réalisée

à partir de la méthode de l'analyse harmonique qui repose sur un déve-loppement du pot~ntiel générateur de la marée en une série de termes purement harmoniques (Doodson, 1954). Le niveau de la mer peut être ainsi modélisé par l'équati()(i} · Z

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me d'ondes du potentiel dont les amplitudes et sit~~~\; caractéristiques des lieux, sont déduites des observ~tiôQS\ .

b. La situation du chcnalage

La méthode de dépouillement actuellement utîlisée est empirique: les pilotes défmissent grossièrement au moyen d'abaques routiers, les bornes de la période au cours de laquelle un navire de tirant d'eau donné peut, dans une situation donnée des profondeurs, effectuer des

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Figure 1 :Comparaison des prédicùons et observations de la marée à Saina-Nazaire et Nantes en 1985: Influences météorologique ct fluviale

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ments de montée et de descente. Afin de rationaliser le traitement de ces données, nous proposons de modéliser les différents mouvements du fluide et du navire. Le logi-ciel correspondant calcule, sur la base d'un modèle hydrau-lique, et à l'aide des prédictions marégraphiques, les lignes d'eau et les vitesses de courants par la méthode des diffé-rences finies. Ce modèle fonctionne selon un schéma uni-directionnel et implicite, assurant la continuité des vitesses

à chaque marégraphe. En effet, chaque section est assimi-lée

à un rectangle de surface égale

à la section mouillée

moyenne définie par les sondages systématiques du lit de la Loire. Afin de vérifier le modèle, nous avons simulé le che-nalage d'une vedette du P ANSN équipée de moyens de radiolocalisation. Ainsi, nous avons constaté que dans la mesure où la prédiction de la marée est correcte, nous pou-vons considérer que la hauteur d'eau estimée sous quille, élément essentiel pour l'usager, est réaliste.

INFLUENCE DU DEBIT FLUVIAL

Cette seconde phase du travail consiste essentiellement en une confrontation des résultats de la prédiction de la marée établie par l'analyse harmonique avec les observations sur le site. Pour avoir une chronologie des événements et

pou-Basse mer

St. Nazaire

Donges

Moyenne(cm)

-1

1 Ecart type( cm)

+12

+13

montre ),la courbe des hauteurs d'eau à Montjean par rap-port au zéro de l'échelle de Montjean (+9,33 rn NGF). La figure 3 présente un échantillon des résultats bruts de cette année d'étude, pour St-Nazaire et Nantes seulement (Khalifa, 1990). Notons que les données de pression ont une périodicité de 6 heures. Par contre les caractéristiques du vent correspondent à ces moyennes journalières. Pour Saint-Nazaire, Donges et Cordemais, ces données ont été enregistrées à l'aéroport de Saint-Nazaire- Montoir, alors que pour Le Pellerin et Nantes UB, elles ont été enregis-trées à l'aéroport de Nantes Atlantique.

a. Etude des pleines mers

Globalement, l'écart DH entre la prédiction et l'observa-tion est faible. On peut constater les faibles valeurs de DH, bien qu'aucune correction n'ait été apportée (correction de pression notamment). La figure 1 constitue une synthèse des résultats statistiques pour les pleines mers aux diffé-rents lieux. Ce tableau permet ainsi de connaître la préci-sion de la prédiction par analyse harmonique pour les dif-férents lieux.

b. Mise en évidence des basses mers

La figure 2 représente l'ensemble des résultats statistiques

Cordemais Le Pellerin Nantes U.B.

1 -4

-6

+21

+49

+46

Tableau 1: Ecans des pleines men entre la prédiction etl'obscJVation pour 1985

Table 1: Err or margins betweenthe fore cast alld observation of high tides i111985

voir appréhender les interactions de tous les phénomènes physiques sur le régime des marées, nous avons jugé utile de présenter sur chaque planche simultanément la courbe des différences entre la prédiction et l'observation,la cour-be de l'évolution des coefficients, la courcour-be de la pression atmosphérique, la courbe de la vitesse des vents (en

Basse mer

St. Nazaire

Donges

Moyenne( cm)

1

1 Ecart type( cm)

12

pour les basses mers aux différents lieux. On remarque que pour Cordemais, Le Pellerin et Nantes UB, les perturba-tions deviennent importantes et affectent les prédicperturba-tions brutes. Pour les hauteurs d'eau d'environ 2.5 rn sur l'échel-le de Montjean, on constate que l'écart évolue avec l'échel-les coefficients de marée. Il est faible pour les coefficients

Cordemais Le Pellerin

Nantes

1 -4

-6

21

49

46

Tableau II: Ecans des basses men entre la prédiction ct l'obscJVation pour 1985

Table Il: Error margins belween the forecast and observatwn oflow tides i111985

noeuds), la courbe de la direction des vents (en degrés par rapport au Nord et positif dans le sens des aiguilles d'une

moyens: au Pellerin, l'écart type des DH est de 49 cm. Pour les hauteurs supérieures à 2.5 m, le niveau des basses mers

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est indépendant des coefficients de marée. c. M~e en évidence de l'infiuenœ du débit

Les principaux résultats (Khalifa, 1990) que l'on peut tirer de cette analyse sont les suivants: 1) insensibilité des hau-teurs de pleines mers aux variations de débit, justifiant la fiabilité des prédictions ; 2) écarts importants entre prédic-tions et observaprédic-tions des basses mers: écarts de l'ordre de 0.8 rn à Nantes et au Pellerin, et de 0.4 rn à Cordemais.

DISCUSSION ET CONCLUSIONS

La propagation de la marée est fortement perturbée à l'intérieur de l'estuaire. En effet, beaucoup de facteurs entrent en ligne de compte : la morphologie du lit de la Loire, les frottements au fond, le débit, la pression atmo-sphérique, la direction et le régime des vents. Compte tenu de la prédominance de la dimension périodique des phéno-mènes, nous avons utilisé la méthode de l'analyse harmo-nique pour déterminer la prédiction de la marée astrono-mique. Cette prédiction est à la base du modèle hydraulique de chenalage qui simule les mouvements de navires dans le chenal de la Loire. Une confrontation de ce modèle de chenalage avec des descentes de navires a per-mis de constater que les résultats du modèle de chenalage sont étroitement liés à la précision de la prédiction maré-graphique.

Une étude comparative a permis de confronter les prédic-tions aux marées réelles et de remarquer que, de façon générale, les prédictions de pleines mers sont correctes et que les basses mers sont acceptables sauf à Nantes UB, Le pellerin et Cordemais où elles sont très perturbées par le débit de la Loire. Cette étude comparative permet de défi-nir un degré de validité à la prédiction de la marée par la méthode de l'analyse harmonique.

Dans cette étude, nous nous sommes limités uniquement à l'évaluation de l'influence du débit . On imagine que son influence peut être difficilement cernée de manière déter-ministe. C'est pour cette raison que nous avons adopté une démarche plutôt statistique pour définir ces corrections. Ceci exige des mesures sur une période suffisamment éta-lée pour contenir tous les types de situations hydrauliques.

En cela, l'année 1985 était idéale puisqu'on y retrouve des cotes à Montjean variant de -2 rn

à

plus de

+5

m.

Afin d'intégrer l'influence du débit en ces trois sites, nous proposons une nouvelle approche. Il s'agit de déterminer empiriquement les niveaux absolus de basses mers en fonc-tion du débit et des coefficients de marée à Cordemais, Le Pellerin et Nantes UB. Une telle étude nécessite plusieurs séries de mesures afin de définir tous les profils des lieux géométriques des basses mers entre Cordemais et Nantes UB. Cette étude permettra de modéliser l'ensemble des profils de basses mers entre Nantes et Cordemais. Si cette correction s'avère précise, elle pourra dans un second temps être généralisée aux basses mers des autres sites ain-si qu'aux pleines mers. Les équations de cet ensemble de surfaces peuvent être déduites des mesures précédentes par interpolation, suivant le site, le débit et le coefficient. Une fois la basse mer déterminée, le marégranune est cor-rigé par homothétie.

Cette approche constitue le prolongement de ce travail (en cours), dont la finalité demeure la simulation des mouve-ments de navires en Loire avec une précision raisonnable. Cet objectif aurait des retombées financières non négli-geables dans l'entretien du chenal de la Loire.

REMERCIEMENTS

Nous tenons à remercier ici les responsables et le person-nel du PANSN pour leur accueil, leur disponibilité et leur expérience de la Loire qu'ils ont bien voulu nous faire par-tager.

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

DOODSON, A.T., 1954. Développement harmonique du potentiel générateur de la marée ; Revue Hydrogr~~phiqu~ lnternalioruùe: 29- 26

KHALIFA, O.A., RIOU, Y., THOMAS, P.,1990. Etude de la propaga-tion de la marée en Loire; Rapport ENSMIPANSN.

PAUL,J.,l986; Propagation de la marée en Loire; Pro~ttlefuad'lluda

; Ecole Nationale des Ponts-et-Chaussées.

RIOU, Y.,1987. Etude de la propagation de la marée en Loire: Phase 1· Mise au point d'un modèle hydraulique pour chenalage Nantes-Donges,

Rapport ENSMIPANSN.

RIOU, Y.,1987. Etude de la propagation de la marée en Loire: Phase2 et 3 Prévision rnarégraphique, Rapport ENSMIPANSN.