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Utilisation d'un atlas numérique de houle pour l'évaluation des conditions d'agitation au sein du port de Roscoff

De Wikhydro
Site internet du RFRC : Réseau Français de Recherche Côtière

Sommaire

Introduction:

Lors de l’aménagement des ports se pose la question des houles de projet à prendre en compte. Or localement, l’existence de chronologies suffisantes de données, mesures in-situ notamment, est peu fréquente. Par ailleurs, les ports sont généralement situés dans des zones côtières naturellement abritées des houles dominantes. La climatologie des états de mer au niveau du port est donc assez différente de celle mesurée en mer ouverte quelques kilomètres offshore. Dans ces conditions, la base de données numériques de houle ANEMOC, développée dans le cadre d'une collaboration entre EDF-LNHE et le CETMEF, est à même d’apporter une aide précieuse à l’aménageur, soit directement, soit pour fournir des conditions aux limites d’un modèle de houle local. Le projet d’aménagement du port de plaisance de Roscoff (Finistère, France), lancé par la Chambre de Commerce et d’Industrie (CCI) de Morlaix a été l’occasion de confronter cet atlas numérique à une application pratique.

L’atlas numérique de houle :

ANEMOC est une base de données d’états de mer le long des côtes Atlantique – Manche - Mer du Nord du littoral français, établie par simulation numérique rétrospective sur une période continue de 25 ans (1979 à 2003) [1]. Les simulations sont effectuées à l’aide du logiciel d’états de mer TOMAWAC [2], mis en œuvre sur deux maillages emboîtés : un modèle océanique et un modèle côtier. Le modèle océanique couvre l’Océan Atlantique Nord, la Manche et la Mer du Nord. Sa résolution spatiale est d’environ un degré au large et 20 km le long des côtes françaises. Ce modèle a été calibré par rapport aux données du réseau de mesure de houle in situ du CETMEF. Le modèle côtier, forcé aux limites par les spectres directionnels issus du modèle océanique, couvre le proche Atlantique, la Manche et le Sud de la Mer du Nord. Sa résolution est d’environ 20 km au large et de 2 à 3 km le long des côtes françaises. La première version de la base de données a été obtenue à partir des champs de vents de la base américaine NCEP/NOAA Reanalysis2 appliqués au modèle océanique, sans prendre en compte les effets de la marée.

Application au projet d’aménagement du port de Roscoff :

Le point extrait de la base numérique de houle, situé au large de la zone d’étude par 31 m de fond, est en partie abrité par l’île de Batz à l’ouest. Le port de Roscoff étant ouvert vers le nord-est, seuls des états de mer provenant des secteurs nord-nord-ouest à est peuvent y pénétrer. Or ces événements ne représentent que 17% de la climatologie générale de la zone d’étude, qui est dominée par des houles provenant pour 67% de l’ouest nord-ouest et 16% du nord-ouest.
L’examen des périodes montrent que les états de mer de hauteurs importantes sont souvent causés par des tempêtes générées localement (périodes relativement courtes de 8 à 12 s) alors que les houles provenant de l’Atlantique (périodes longues de 12 à 18 s)) arrivent relativement amorties sur le site d’étude (hauteurs peu élevées).

périodes de houles de nord nord ouest
Figure 1: Périodes de houles de nord nord ouest

Dans ces conditions, il importe de disposer de données sur des durées suffisantes pour réaliser l’évaluation des événements historiques (périodes de retour de 1 à 100 ans). Les 25 années disponibles de l’atlas numérique ont donc été traitées, d’une part grâce à la méthode statistique du renouvellement pour estimer les houles extrêmes toutes directions confondues, d’autre part grâce à la méthode des coefficients de sévérité pour en déduire les houles extrêmes par secteur directionnel. Ces événements ont été estimés à l’aide du logiciel EVENAL95. Ce dernier met en œuvre la méthode dite "du renouvellement", dans laquelle l’échantillon des tempêtes est constitué en retenant le pic des hauteurs des vagues. Chaque tempête est définie à partir du franchissement d’un seuil par les hauteurs significatives.

L’exploitation a été faite en retenant les seuils suivants pour déterminer les tempêtes : 3,50 m, 4,00 m, 4,50 m, 5,00 m et 5,50 m. La stabilité est bonne pour l’ensemble des lois d’ajustement (cf. annexe 1). Le graphique conduit à choisir la loi de Weibull pour un seuil de 4,50 m. Les résultats sont présentés dans le tableau ci-après :

Loi retenue: loi de Weibull

Seuil de tempête : 4,50 m

Hauteur significative

estimée par le Hm0

Intervalle de confiance à 70%
Houle annuelle 6,90 m 6,60 m à 7,10 m
Houle décennale 9,80 m 9,20 m à 10,40 m
Houle cinquantennale 11,90 m 11,30 m à 12,60 m
Houle centennale 12,70 m

L’application de la méthode des coefficients de sévérité basée sur un traitement des valeurs maximales de houle atteintes chaque année par direction et toutes directions confondues. Cette méthode permet de déterminer un ratio entre les houles extrêmes par direction et les houles extrêmes omnidirectionnelles. Le traitement de l’ensemble des données a permis d’établir les résultats suivants :

Hauteur atlas
Toutes directions confondues
NNW
N
NNE
NE
Ratio
1
0,57
0,51
0,47
0,29
Houle annuelle
6,90 m
4 m
3,6 m
3,25 m
2,1 m
Houle décennale
9,80 m
5,5 m
5 m
4,65 m
2,85 m
Houle cinquantennale
11,90 m
6,7 m
6,1 m
5,6 m
3,5 m
Houle centennale
12,70 m
7,2 m
6,5 m
6 m
3,7 m

A la fois en houle annuelle et décennale, concernant les hauteurs comparées de la bibliographie et de l’atlas numérique, on constate :

  • des valeurs concordantes pour les directions NNW à N.
  • une différence légère pour la direction NNE.
  • une forte surévaluation de la bibliographie pour la direction NE.

Les données issues de la bibliographie sont issues d’une part d’observations visuelles (sémaphore de l’Ile de Batz, observations de navires), d’autre part d’évaluations réalisées à l’aide des abaques de Brettschneider (fournissant la hauteur de houle en fonction de données de vent). Or les observations visuelles, si elles ont longtemps constitué la seule source de données de houle, sont imprécises et donc de moins en moins utilisées de nos jours. Par ailleurs, les calculs réalisés à l’aide des abaques de Brettschneider supposent que le vent est constant en intensité et en direction sur l’ensemble du fetch considéré. En outre, les données de vent prises en compte proviennent en général d’une source locale à terre qui ne reflète pas le climat océanique. Concernant les données de l’atlas numérique de houle utilisé dans le cadre de la présente étude, dont la validité est certes liée aux données bathymétriques, aux champs de vent pris en compte et aux limites de la modélisation, leur comparaison avec les mesures effectuées par des houlographes situés en différents points des côtes françaises s’est avérée tout à fait encourageante. Par ailleurs, la chronologie disponible, de 1979 à 2003, permet d’effectuer une exploitation statistique pertinente. Les résultats obtenus ont été confrontés aux observations des acteurs locaux et en particulier à la tempête du 20 février 1996, considérée comme décennale avec une houle de nordet dont la hauteur atteignait 5 m (évaluation visuelle).

L’atlas numérique confirme ces valeurs : la hauteur de la houle atteint 5,83 m le 18 février pour une direction pivotant de 300 à 330°N puis 4,99 m le 20 février avec une direction de 10°N. Ces données sont orientées plus au nord que les observations mais les houles pivotent vers le nord-est en arrivant à la côte. En outre, l’exploitation statistique indique bien la houle décennale atteint respectivement 5 m et 5,5 m pour le nord et le nord-nord-ouest.

tempête de 1996
Figure 2: Tempête de février 1996: hauteur significative et direction de la houle

On peut donc en conclure que pour un événement significatif du climat de houle pour le site de Roscoff, les données de l’atlas numérique sont cohérentes.

Par ailleurs, la base de données permet aussi de préciser les valeurs des périodes de houle à associer aux hauteurs de projet pour chaque secteur de directions de provenance. Des régimes dominants de houles océaniques et de mers de vent locales sont ainsi mis en évidence et caractérisés.

Répartition des périodes de pic de houle en fonction de la hauteur significative secteur ne
Figure 3: Répartition des périodes de pic de houle en fonction de la hauteur significative secteur nord est année 1996
Secteur nord
Figure 4: Secteur nord période de pic Tp en fonction de la hauteur significative Hs pour les hauteurs supérieures à 3 m

Conclusions

L’atlas numérique de houle facilite, de par sa longue chronologie, l’évaluation des événements extrêmes directionnels ainsi que la reconstitution de tempêtes historiques qui ont pu marquer les acteurs locaux. L’ensemble des paramètres disponibles (hauteur de la houle, mais aussi période, direction ou encore étalement directionnel) permet de mieux comprendre la climatologie locale et donc de déterminer des conditions de projet avec plus de pertinence. Cet atlas numérique constitue un atout indéniable pour les ports maritimes, pour lesquels les contraintes en termes de confort et de sécurité sont fortes.

Références :

  1. BENOIT M., LAFON F. (2004) A nearshore wave atlas along the coasts of France based on the numerical modelling of wave climate over 25 years. Proc. 29th Int. Conf. on Coastal Eng. (ICCE'2004), 19-24 September 2004, Lisbon (Portugal).
  2. BENOIT M., MARCOS F., BECQ F. (1996) Development of a third generation shallow water wave model with unstructured spatial meshing. Proc. 25th Int. Conf. on Coastal Eng. (ICCE'1996), Orlando (Florida, USA), pp 465-478.
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