Évaluation de l'impact des recharges sédimentaires sur la ligne d'eau au niveau de la boucle de l'Ourthe en aval d'Esneux

Abstract

Les recharges de galets (Gravel augmentation) sont de plus en plus utilisées comme techniques de restauration des cours d’eau. Elles peuvent notamment être utilisées en réaction aux curages récurrents. Ceux – ci perturbent entre autres la dynamique sédimentaire, principalement le charriage et mettent à mal l'écosystème et la morphologie des cours d'eau. Les réinjections de galets peuvent se faire directement sur le terrain ou être testées en laboratoire à l’aide de simulations numériques. Ce travail s’intéresse à l’évaluation de l’impact des recharges sédimentaires sur l’élévation de la ligne d’eau. Pour ce faire, à l’aide de simulations numériques réalisées sur base du système de modélisation intégrée WOLF développé au sein du groupe de recherche HECE de la faculté de sciences appliquées à l’université de Liège, différentes configurations de réinjections seront testées. L’intérêt est d’estimer la simulation occasionnant le moins d’impact sur l’allure de la ligne. Afin, de déterminer les répercussions des recharges sur l’écoulement, des situations avant et après réinjections seront comparées. Les variables étudiées seront l’altitude de la surface libre, la hauteur d’eau, la norme des vitesses de courants et le paramètres de Shields. Ce dernier est un indicateur de la mise en mouvement de la charge de fond. Dans le but de déterminer la configuration optimale de recharge sédimentaire, plusieurs paramètres propres à la réinjection seront testés individuellement pour déterminer leur impact sur l’élévation de la ligne. Ainsi, au travers de ce mémoire, l’influence de différents facteurs sur l’élévation de la ligne d’eau et la mise en mouvement des sédiments sera déterminée. Les facteurs testés seront le débit lors de la réinjection, le volume de la réinjection, le diamètre des galets présents dans la rivière, la localisation de la réinjection et la manière dont les galets sont réinjectés numériquement. Pour ce faire, différentes simulations numériques ont été réalisées à l’aide du modèle WOLF. L’étude porte sur la boucle de l’Ourthe en aval d’Esneux. Cette zone se présente comme un choix pertinent puisqu’elle est sujette à des curages répétés au niveau du village d’Esneux et qu’elle est recensée comme une zone protégée selon différents statuts. Les résultats de ces simulations révèlent que le modèle tend à sous-estimer le charriage et à surestimer le débit de mise en mouvement des sédiments par rapport à la littérature. Les écarts entre la littérature et les résultats issus des simulations ont conduit à la nécessité de réaliser une validation à l’aide de mesures de terrain. Cette validation a montré la présence d’un écart entre les observations de terrain et les résultats des simulations numériques. Cet écart est probablement lié au calage du Lidar à l’époque du levé d’altimétrie de 2002. Les résultats des tests montrent que, la configuration de réinjection minimisant l’élévation de la ligne d’eau et favorisant la mise en mouvement de la charge de fond, présenterait un volume équivalent au charriage annuel, se situerait au sein du méandre de la boucle, avec des galets possédant un axe b d’environ 42 mm, un débit de [300 m3/s], et une réinjection numérique à hauteur constante. C’est-à-dire une élévation identique de la topographie sur chaque pixel. Cette configuration induirait une élévation de la ligne d’eau de 0.05 m à 0.1 m en amont de la zone de réinjection, une légère baisse de l'altitude d'environ 0.05 m dans la portion la plus aval de la réinjection. La majeure partie du domaine présenterait une variation d'altitude proche de zéro. En conclusion, ce mémoire met en avant l'importance de combiner la modélisation numérique développée à l’aide du modèle WOLF 2D avec des validations sur le terrain pour développer des stratégies de restauration des cours d'eau efficaces, sur base de réinjections de galets au niveau de la boucle de l’Ourthe à Esneux. Ce mémoire tente également de valider les résultats proposés à l’aide de comparaisons avec la littérature.

Gravel augmentation techniques are increasingly used for river restoration. They can be employed in response to dredging, which disrupts sediment dynamics, hinders sediment transport, and harms the ecosystem and morphology of watercourses. Gravel injections can be implemented directly in the field or tested in laboratory using numerical simulations. This study focuses on evaluating the impact of sediment recharges on water level elevation. By using numerical simulations based on the integrated modelling system WOLF developed at the Faculty of Applied Sciences at the University of Liège, various injection configurations will be tested to estimate those causing the least impact on the water level. To determine the repercussions of recharges on flow, we will compare situations before and after injections. Variables studied include free surface elevation, water depth, current velocities, and Shields parameters, which indicate sediment mobilization. To determine the optimal sediment recharge configuration, several injection parameters will be individually tested to assess their impact on water level elevation. Thus, through this study, we aim to determine the influence of injection flow rate, volume of injected gravel, diameter of gravel present in the river, injection location, and method of gravel injection on water level elevation and sediment mobilization. Various numerical simulations have been conducted using the WOLF model. The study will focus on the Ourthe loop downstream of Esneux, a relevant choice due to its recurrent dredging and protected status under various designations. The results of these simulations reveal that the model tends to underestimate sediment transport and overestimate sediment entrainment rates compared to the literature. Discrepancies between the literature and the simulation results have led to the need for validation using field measurements. This validation has shown a discrepancy between field observations and those from numerical simulations due to an issue with Lidar calibration at the time of the elevation survey. However, the results show that the injection configuration minimizing water level elevation and favouring sediment transport would involve a volume equivalent to annual sediment transport, located within the meander, with gravel having a b-axis of approximately 42 mm, a flow rate of [300 m3/s], and constant-level digital injection. This configuration would result in a water level elevation of 0.05 m to 0.1 m upstream of the two injections, with a slight decrease in altitude of approximately 0.05 m in the most downstream portion of the injection. Most of the area would exhibit minimal altitude variations, approaching zero. In conclusion, this thesis highlights the importance of combining numerical modeling developed using the WOLF 2D model with field validations to develop effective river restoration strategies, based on the reintroduction of pebbles at the Ourthe loop in Esneux. This thesis also attempts to validate the proposed results through comparison with the literature.