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Apport de la tomodensitométrie à l’étude du transport sédimentaire.

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Bourgault-Brunelle, Corinne (2019). Apport de la tomodensitométrie à l’étude du transport sédimentaire. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de la terre, 226 p.

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Résumé

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L’amélioration des connaissances sur les mécanismes fondamentaux de la dynamique sédimentaire est bénéfique notamment pour améliorer les performances des modèles de transport en milieux océaniques et côtiers. Des nouvelles technologies de pointe en laboratoire permettent désormais d’approfondir notre compréhension des processus d’hydrodynamique sédimentaire et ainsi de proposer de nouvelles techiques d’analyse pour améliorer les prévisions d’évolution morphodynamique. Dans ce travail, un modèle physique d’un lit de sable non cohésif (D50=217 μ m) en mode de transport actif sous l’action de courants unidirectionnels en régime turbulent est réalisé. Les expériences visent à caractériser les propriétés physiques du modèle à haute résolution et de comparer les résultats aux paramètres classiques du transport sédimentaire total, incluant charriage et suspension, incluant la déformation et la porosité du lit de sédiments. Pour ce faire, une nouvelle méthode de laboratoire est proposée combinant imagerie optique par rayons X (c.-à-d., tomodensitométrie) et laser (c.-à-d., vélocimétrie par images de particules) basée sur les travaux réalisés précédemment au Laboratoire multidisciplinaire de tomodensitométrie pour les ressources naturelles et le génie civil (INRS). Différentes vitesses d’écoulement près du lit de sédiments (c.-à-d., 0,10 à 0,44 m s−1) sont générées dans un canal hydraulique de 7 mètres de long et de pente nulle. Les valeurs de contrainte de cisaillement du fluide sur le lit de sable (_0), le transport par suspension (qs) et par charriage (qb) sont quantifiées. Des configurations optimales des appareils de mesure sont proposées pour améliorer l’estimation de ces paramètres. Les résultats sont validés et interprétés en fonction des équations classiques du transport tout en tenant compte de la nature complexe des phénomènes observés. Dans la première section de cette étude (article 1), la déformation 3D du lit de sable est notamment reliée à la rugosité du lit par la technique de variogramme en utilisant les images du CT scan. De plus, le post-traitement des images du CT scan a permis de calculer des valeurs locales de charriage et de relier statistiquement la variabilité de celles-ci aux propriétés hydrodynamiques de l’écoulement en améliorant la précision du calcul empirique de transport (article 2). Finalement, l’étude des profils de matière en suspension utilisant les photographies du système de vélocimétrie par image de particules (PIV) s’est avéré être le moyen le plus efficace, combiné avec les méthodes de filtration d’eau, pour déterminer l’allure des profils de matière en suspension. Les résultats ont montré que l’intégration des propriétés de la distribution granulométrique à l’équation théorique de Rousse représentait plus fidèlement les observations des concentrations de matière en suspension (article 3). Cette étude montre donc la possibilité de dériver davantage d’information à partir de la technique expérimentale proposée dans le but d’améliorer l’intégration des phénomènes physiques aux équations empiriques du transport sédimentaire. Le potentiel et les limitations de la méthode sont discutés. Le nouvel apport de connaissance par cette méthode combinée d’imagerie haute résolution est une avenue prometteuse pour les études expérimentales dans le domaine du transport sédimentaire et de l’érosion.

Abstract

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The development of knowledge on the fundamental mechanisms of sediment-fluid dynamics is particularly beneficial for transport models in oceanic and coastal environments. New advanced technologies in laboratory work now bring more precise observations of the hydrodynamic-sedimentary processes in order to propose equations and parameters to improve predictions of morphodynamic evolution. In this work, a physical model of a non-cohesive sand bed (D50 = 217 μ m) in active transport mode under the action of unidirectional currents in turbulent regime is studied. The aim of the experiments is to characterize with a high-resolution the physical properties of the model to compare the results with classical parameters of the total sand transport, including bedload and suspension), the bed deformation and bed porosity. To achieve this, a new experimental method is proposed combining optical X-ray (i.e. CT scan) and laser (i.e. particle image velocimetry) imaging based on the preliminary work conducted at the Multidisciplinary Laboratory of CT-Scan for Non- Medical Use (INRS). Different flow velocities (i.e., 0.10 to 0.44 m s−1) near the bed are generated in a hydraulic flume 7 meters long with a null slope. Shear stress values on the sand bed (_0) and total sand transport are estimated. The parameters are quantified with the greatest precision and optimal configurations are proposed. Simple coefficients of the transport equations were derived while integrating the complex nature of the observed phenomena. In the first section of this study, the 3D deformation of the sand bed is related to the roughness of the bed by the variogram technique using the CT-scan images (article 1). In addition, the post-processing of the CT-scan images made it possible to calculate the local bedload transport (article 2). Finally, the study of suspended material profiles using particle image velocimetry (PIV) photographs showed that the integration of the particle size distribution within the theoretical equation of Rousse suspended sediment profile improve the fitting to the observations (article 3). This study has therefore investigated the possibility to integrate more information within the empirical equations of sedimentary transport in laboratory work. The potential and limitations of the method are discussed. This new contribution of this high resolution imaging techniques is a promising avenue for experimental studies in the field of sediment transport and erosion.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Francus, Pierre
Co-directeurs de mémoire/thèse: Després, Philippe
Mots-clés libres: PIV; CT scan; ADP; transport sédimentaire; canal hydraulique; sediment transport; hydraulic flume
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 12 mars 2020 17:39
Dernière modification: 12 mars 2020 17:39
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/9725

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