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Modélisation de la pénétration des houles modulées par la marée dans le bassin Hubert-Raoul Duval de Port 2000 au Havre : Différence entre versions

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Les prédictions numériques sont confrontées aux mesures réalisées aux houlographes H1 et H3 (<span style="color: rgb(51, 51, 153);">Figures 1 et 2</span>) à l'entrée et dans le bassin portuaire Hubert Raoul Duval par le Grand Port Maritime du Havre et le CETMEF. Cette comparaison couvre la période du 19 au 27 novembre 2008 au cours de laquelle les périodes de houle incidentes sont les plus importantes pour les simulations effectuées à l'extérieur du port par le code <span style="color: rgb(51, 51, 153);">TOMAWAC</span> couplé à <span style="color: rgb(51, 51, 153);">TELEMAC2D</span> (<span style="color: rgb(51, 51, 153);">Guillou et Chapalain, 2011, 2012b</span>; [http://www.wikhydro.org/index.php/Mod%C3%A9lisation_des_effets_de_la_mar%C3%A9e_sur_les_hauteurs_de_houle_aux_abords_de_Port_2000_au_Havre réf.&nbsp;Wikhydro 2012]). En effet, le domaine de validité du code <span style="color: rgb(51, 51, 153);">ARTEMIS</span> impose une taille de maille de calcul maximale en fonction de la longueur d'onde des vagues (<span style="color: rgb(51, 51, 153);">EDF R&amp;D, 2010</span>). La période temporelle retenue est compatible avec la résolution du maillage de calcul. La modélisation numérique reproduit de manière satisfaisante les modulations semi-diurnes de la hauteur de houle du chenal de navigation (à la bouée H1) à la partie orientale du bassin portuaire (à la bouée H3) (<span style="color: rgb(51, 51, 153);">Figure 3</span>). <br> <br>  
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Les prédictions numériques sont confrontées aux mesures réalisées aux houlographes H1 et H3 (<span style="color: rgb(51, 51, 153);">Figures 1 et 2</span>) à l'entrée et dans le bassin portuaire Hubert-Raoul Duval par le Grand Port Maritime du Havre et le CETMEF. Cette comparaison couvre la période du 19 au 27 novembre 2008 au cours de laquelle les périodes de houle incidentes sont les plus importantes pour les simulations effectuées à l'extérieur du port par le code <span style="color: rgb(51, 51, 153);">TOMAWAC</span> couplé à <span style="color: rgb(51, 51, 153);">TELEMAC2D</span> (<span style="color: rgb(51, 51, 153);">Guillou et Chapalain, 2011, 2012b</span>; [http://www.wikhydro.org/index.php/Mod%C3%A9lisation_des_effets_de_la_mar%C3%A9e_sur_les_hauteurs_de_houle_aux_abords_de_Port_2000_au_Havre réf.&nbsp;Wikhydro 2012]). En effet, le domaine de validité du code <span style="color: rgb(51, 51, 153);">ARTEMIS</span> impose une taille de maille de calcul maximale en fonction de la longueur d'onde des vagues (<span style="color: rgb(51, 51, 153);">EDF R&amp;D, 2010</span>). La période temporelle retenue est compatible avec la résolution du maillage de calcul. La modélisation numérique reproduit de manière satisfaisante les modulations semi-diurnes de la hauteur de houle du chenal de navigation (à la bouée H1) à la partie orientale du bassin portuaire (à la bouée H3) (<span style="color: rgb(51, 51, 153);">Figure 3</span>). <br> <br>  
  
 
Ce résultat est obtenu sans prendre en compte l'influence locale des courants de marée sur l'agitation. Les courants de marée à l'échelle du bassin portuaire ont ainsi une influence négligeable sur la modulation des hauteurs de houle sur la période concernée. Les modulations observées au point H3 sont principalement liées à la pénétration dans le bassin portuaire de houle modulées par la marée aux abords du port. Ces modulations externes de la houle au niveau du chenal d'entrée dans le port sont principalement imputables à la réfraction par le courant de marée (<span style="color: rgb(51, 51, 153);">Guillou et Chapalain, 2012b</span>). Les courants de marée induisent ainsi au cours de la période de simulation des changements de direction de la houle incidente de 10 à 20 ° avec une déflexion vers le nord à marée haute et vers le sud à marée basse. Il en résulte une exposition changeante, quasi périodique, du plan d'eau et des digues et des quais à l'intérieur du bassin portuaire au cours du cycle de marée. <br>  
 
Ce résultat est obtenu sans prendre en compte l'influence locale des courants de marée sur l'agitation. Les courants de marée à l'échelle du bassin portuaire ont ainsi une influence négligeable sur la modulation des hauteurs de houle sur la période concernée. Les modulations observées au point H3 sont principalement liées à la pénétration dans le bassin portuaire de houle modulées par la marée aux abords du port. Ces modulations externes de la houle au niveau du chenal d'entrée dans le port sont principalement imputables à la réfraction par le courant de marée (<span style="color: rgb(51, 51, 153);">Guillou et Chapalain, 2012b</span>). Les courants de marée induisent ainsi au cours de la période de simulation des changements de direction de la houle incidente de 10 à 20 ° avec une déflexion vers le nord à marée haute et vers le sud à marée basse. Il en résulte une exposition changeante, quasi périodique, du plan d'eau et des digues et des quais à l'intérieur du bassin portuaire au cours du cycle de marée. <br>  

Version du 2 mars 2013 à 19:27

Guillou et Chapalain (2012a).
Nicolas Guillou et Georges Chapalain
Laboratoire de Génie Côtier et Environnement (LGCE)
Centre d'Etudes Techniques Maritimes Et Fluviales (CETMEF)

Mots-clés : Houle, Marée, Port, Modélisation numérique, Mesure, Agitation, ARTEMIS, TELEMAC, Baie de Seine, Le Havre


Sommaire

Objectif

Simuler l’agitation à l’intérieur d’un port exposé à la houle est une étape cruciale de sa conception. En dépendent l’efficacité de l’abri qu’il procure aux navires (en manœuvre et à quai) et son évolution bathymétrique et les conséquences que l'on sait en termes d’entretien par dragage.
En zones côtière et littorale à bathymétrie complexe, les vagues se transforment de manière drastique. Dans les environnements macrotidaux, ces transformations sont exacerbées, voire compliquées, par les effets de la marée. Ainsi, apparaissent des amplifications locales significatives des hauteurs de houle. Ce phénomène a récemment été étudié aux abords du port du Havre sur la base de modèles couplés de marée (COHERENS, Luyten et al., 1999, TELEMAC2D; Hervouet, 2003) et de houles (SWAN, Booij et al., 2000; TOMAWAC, Benoit et al., 1996) et de mesures in situ réalisées dans le cadre du projet d'extension Port 2000 du Grand Port Maritime du Havre (Guillou et Chapalain, 2011, 2012b; réf. Wikhydro, 2012).
L'objet de la présente étude est de modéliser en mode instationnaire la pénétration de telles houles « affectées » par la marée à l'intérieur d'un bassin portuaire, en l'occurence celui de Port 2000 au Havre et de confronter les prédictions numériques à des mesures. L'étude incorpore une méthode pour évaluer la nécessité d'intégrer les effets des courants de marée à l'échelle du bassin portuaire pour des prédictions affinées de l'agitation. Elle s'insère dans le projet de recherche « APORT » de la thématique scientifique et technique « Hydrodynamique Et Réponses des MatEriaux Sédimentaires » (HERMES) du LGCE. Une publication scientifique (Guillou et Chapalain, 2012a) lui est consacrée.

Modélisation numérique

Il existe deux grands types de modèles numériques d’agitation portuaire,

  • le premier basé sur les équations à faible pente (« mild-slope equations ») adaptées par Booij (1981) et De Girolamo et al. (1988) des équations développées par Berkoff (1972, 1976),
  • le second sur les équations non-linéaires et dispersives de Boussinesq (Peregrine, 1967; Madsen et al., 1991 et Nwogu, 1993) applicables à des vagues d'amplitudes finies.

Le premier type de modèle dont font partie le code ARTEMIS (« Agitation and Refraction with TElemac on a MIdSlope ») développé par EDF R&D (e.g., Aelbrecht, 1997; EDF R&D, 2010) ou le code REFONDE développé par le CETMEF (e.g., Ropert, 1999; Debaillon et al., 2009) incorpore les effets combinés du gonflement (« shoaling »), de la réfraction, de la diffraction, de la dissipation par frottement sur le fond et déferlement, ainsi que de la réflexion et de la transmission partielles des vagues à travers des brises-lames ou des autres structures portuaires. Le second type de modèle, parmi lesquels on compte le code FUNWAVE développé à l'Université du Delaware (Kirby et al., 1998), reproduit les phénomènes précédents augmentés notamment des interactions vague-vague et des dispersions fréquentielle et directionnelle.

Dans la présente étude, nous retenons le modèle d'agitation ARTEMIS. ARTEMIS est mis en œuvre à l'échelle du bassin Hubert Raoul-Duval de Port 2000 et de son chenal d'entrée (Figure 1). Le maillage de calcul comprend 96 415 nœuds et 190 584 éléments finis d'une résolution spatiale uniforme de 7 m. Les conditions aux limites solides (quais, digues en enrochements) du domaine de calcul sont calibrées en fonction des trois paramètres clés que sont le coefficient de réflexion, la direction d'incidence des vagues et du déphasage en temps induit par la paroi. Des détails sur l'ajustement de ces paramètres sont disponibles dans Guillou et Chapalain (2012a). La modélisation n'intègre pas les effets des courants de marée à l'échelle du bassin portuaire. Les conditions aux limites ouvertes en hauteurs, périodes et directions des houles incidentes résultent de simulations à l'échelle de l'estuaire externe de la Seine par le modèle de propagation de houle TOMAWAC couplé au modèle de circulation TELEMAC2D (Guillou et Chapalain, 2012b). Enfin, le code ARTEMIS intègre enfin les niveaux d'eau prédits par TELEMAC 2D dans le port.

Figure 1 : Emprise du domaine de calcul de ARTEMIS dans le bassin portuaire de port 2000 au Havre.

Résultats et discussion

Les prédictions numériques sont confrontées aux mesures réalisées aux houlographes H1 et H3 (Figures 1 et 2) à l'entrée et dans le bassin portuaire Hubert-Raoul Duval par le Grand Port Maritime du Havre et le CETMEF. Cette comparaison couvre la période du 19 au 27 novembre 2008 au cours de laquelle les périodes de houle incidentes sont les plus importantes pour les simulations effectuées à l'extérieur du port par le code TOMAWAC couplé à TELEMAC2D (Guillou et Chapalain, 2011, 2012b; réf. Wikhydro 2012). En effet, le domaine de validité du code ARTEMIS impose une taille de maille de calcul maximale en fonction de la longueur d'onde des vagues (EDF R&D, 2010). La période temporelle retenue est compatible avec la résolution du maillage de calcul. La modélisation numérique reproduit de manière satisfaisante les modulations semi-diurnes de la hauteur de houle du chenal de navigation (à la bouée H1) à la partie orientale du bassin portuaire (à la bouée H3) (Figure 3).

Ce résultat est obtenu sans prendre en compte l'influence locale des courants de marée sur l'agitation. Les courants de marée à l'échelle du bassin portuaire ont ainsi une influence négligeable sur la modulation des hauteurs de houle sur la période concernée. Les modulations observées au point H3 sont principalement liées à la pénétration dans le bassin portuaire de houle modulées par la marée aux abords du port. Ces modulations externes de la houle au niveau du chenal d'entrée dans le port sont principalement imputables à la réfraction par le courant de marée (Guillou et Chapalain, 2012b). Les courants de marée induisent ainsi au cours de la période de simulation des changements de direction de la houle incidente de 10 à 20 ° avec une déflexion vers le nord à marée haute et vers le sud à marée basse. Il en résulte une exposition changeante, quasi périodique, du plan d'eau et des digues et des quais à l'intérieur du bassin portuaire au cours du cycle de marée.

Figure 2 : Houlographe H3 dans le bassin portuaire en novembre 2008 (courtoisie Guy Amis, CETMEF).
Figure 3 : Séries temporelles des hauteurs significatives de houle mesurées (lignes noires) et prédites (lignes bleues) du 19 au 27 novembre 2008 aux houlographes H1 et H3.

La Figure 4 présente les hauteurs de houle maximales prédites par ARTEMIS entre le 19 et 27 novembre 2008 à l'intérieur du bassin portuaire. Les résultats synoptiques ne sont pas présentés dans la partie externe du chenal d'accès au port. Les Figures 5 et 6 montrent les hauteurs de houle maximales obtenues aux marées hautes et basses. Les Figures 4 et 5 sont très similaires car les hauteurs de houle maximales sont globalement obtenues à marée haute. Cette période se caractérise par une exposition préférentielle du quai Nord. Les hauteurs de houle sont naturellement plus faibles à marée basse. Les résultats montrent cependant une augmentation des hauteurs au niveau de la partie interne de la digue Sud à proximité de l'entrée du bassin.

Figure 4 : Hauteurs maximales de houle prédites dans le bassin portuaire entre le 19 et le 27 novembre 2008.
Figure 5 : Hauteurs maximales de houle prédites aux marées hautes entre le 19 et le 27 novembre 2008.
Figure 6 : Hauteurs maximales de houle prédites aux marées basses entre le 19 et le 27 novembre 2008

Conclusion

Les variabilités spatiale et temporelle des conditions d'agitation dans le bassin portuaire de Port 2000 au Havre ont pu être analysées en fonction de la marée. Des conséquences immédiates se dessinent en termes de régulation du trafic maritime pour le Grand Port Maritime du Havre. Des mesures complémentaires à proximité du chenal d'entrée seront toutefois nécessaires pour évaluer plus précisément la démarche.


Remerciements

Les auteurs remercient le Grand Port Maritime du Havre pour la mise à disposition des mesures in situ présentées à la Figure 3, ainsi que Monsieur Guy Amis pour la mise à disposition de la photographie du houlographe H3 dans le bassin portuaire Raoult Duval présentée à la Figure 2.


Références

  • Aelbrecht, D. (1997). ARTEMIS 3.0: a finite element model for predicting wave agitation in coastal areas and harbours including dissipation. In: Computer modelling of seas and coastal regions III. International conference. Eds.: J.R. Acinas and C.A. Brebbia, 343-352.
  • Benoit, M., Marcos, F., Becq, F. (1996). Development of a third generation shallow-water wave model with unstructured spatial meshing. Proceedings of the 25th International Conference on Coastal Engineering, 465-478.
  • Berkhoff, J.C.W. (1976). Mathematical models for simple harmonic linear water waves. Wave refraction and diffraction, Publ. n° 163, Delft Hydraulics Laboratory, Delft, The Netherlands.
  • Berkhoff, J.C.W. (1972). Computation of combined refraction-diffraction. In: Proceedings of the 13th International Conference on Coastal Engineering (Vancouver, Canada, ASCE), pp. 471-490.
  • Booij, N. (1981). Gravity waves on water with nonuniform depth and current. Deflt, the Netherlands: Technical University of Delft, thèse de doctorat, 130 p.
  • Debaillon, P., Sergent, P., Orcel, O. (2009). REFONDE V2.6. Notice théorique. Centre d'Etudes Techniques Maritimes Et Fluviales. 73 p.
  • De Girolamo, P., Kostense J.K., Dingemans M.W. (1988). Inclusion of wave breaking in a mild-slope model. In: Schrefler, B.A., Zienkiewicz, O.C. (eds.), Computer Modeling in Ocean Engineering. Rotterdam: Balkema, pp. 221-229.
  • EDF R&D (2010). Agitation d'un plan d'eau par la houle. Logiciel ARTEMIS. Version 6. Notice théorique et manuel utilisateur. 134 p.
  • Guillou, N., Chapalain, G. (2012a). Modeling Penetration of Tide-Influenced Waves in Le Havre Harbor. Journal of Coastal Research. Volume 28, Issue 4 (July 2012), pp. 945-855,  doi: 10.2112/JCOASTRES6D611600192.1.
  • Guillou, N., Chapalain, G. (2012b). Modeling the tide-induced modulation of wave height in the outer Seine estuary. Journal of Coastal Research. Volume 28, Issue 3 (May 2012), pp. 613-623, doi: 10.2112/JCOASTRES-D-11-00075.1.
  • Guillou, N., Chapalain, G. (2011). Modélisation des effets de la marée sur les hauteurs de houle aux abords de Port 2000 au Havre. Rapport de recherche CETMEF-L001/11, 49 p.
  • Hervouet, J.M. (2003). Hydrodynamique des écoulements à surface libre. Modélisation numérique avec la méthode des éléments finis. Presses de l'Ecole Nationale des Ponts et Chaussées, Paris, 311 pp.
  • Kirby, J.T., Wei, G., Chen, Q, Kennedy, A.B., Dalrymple, R.A. (1998) FUNWAVE 1.0 Fully nonlinear Boussinesq wave model. Documentation and user's manual . Research Report #CACR-98-06, Center Applied Coastal Research, Department of Civil and Environmental Engineering, University of Delaware, USA.
  • Luyten, P.J., Jones, J.E., Proctor, R., Tabor, A., Tett, P., Wild-Aden, K. (1999). COHERENS: A COupled Hydrodynamical-Ecological model for RegioNals and Shelf seas - Part III - Model Description (available on CD-ROM via http://www.mumm.ac.be/coherens). Management Unit of the North Sea Mathematical Models, Report MAS3-CT97-0088, Belgique, 911 p.
  • Madsen, P.A., Murray, R. et Sorensen, O.R. (1991). A new form of the Boussinesq equations with improved linear dispersion characteristics. Coastal Engineering, 15 (4), 371-388.
  • Nwogu, O. (1993). A alternative form of the Boussinesq equations for nearshore wave propagation. Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering, 119(6), 618-638.
  • Peregrine, D.H. (1967). Long waves on a beach. Journal of Fluid Mechanics, 27, 815-827.
  • Ropert, F. (1999). Les caissons Jarlan. Thèse de l'Université Technologique de Compiègne.
  • Stratigaki, V., Vanneste, D., Troch, P., Gysens, S., Willems, M. (2010). Numerical modelling of wave penetration in Ostend harbour. Proceedings of the 32nd International Conference on Coastal Engineering, Shangai, China, 1-15.

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