Modélisation hydrodynamique de l’estuaire fluvial du Saint-Laurent.

Matte, Pascal (2014). Modélisation hydrodynamique de l’estuaire fluvial du Saint-Laurent. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 334 p.

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Résumé

Le système Saint-Laurent – Grands Lacs forme la plus grande voie navigable intérieure au monde. Il abrite un écosystème unique et représente une source d’eau potable pour près de la moitié des Québécois. Toutefois, l’aménagement et l’utilisation du chenal de navigation, la disparition de grandes superficies de milieux humides sous les remblais et l’empiètement, la contamination des sédiments près des aménagements portuaires et les industries du secteur sont autant de facteurs qui modifient l’hydrodynamique, détériorent la qualité des eaux, restreignent les activités récréatives et affectent les ressources halieutiques de la région. La modélisation numérique s’avère l’outil technologique idéal pour comprendre et analyser les liens entre la physique et le milieu naturel. Complémentée par des mesures de terrain, elle fait le pont entre les différents processus, à diverses échelles spatiales et temporelles. Alors que la portion fluviale du Saint-Laurent (de Cornwall à Trois-Rivières) est bien documentée, tant par des études numériques que par des mesures de terrain, très peu d’études ont été réalisées dans sa portion fluvio-estuarienne (de Trois-Rivières à Québec). Composé d’eau douce, l’estuaire fluvial est soumis à l’influence grandissante d’une marée semi-diurne, responsable de fortes inversions de courant, du mélange des masses d’eau et de la présence de larges estrans. Il se caractérise par une topographie complexe et par une forte hétérogénéité des substrats, auxquels s’ajoutent des débits fluviaux et des conditions météorologiques variables. La présente recherche vise à fournir une description détaillée de l’hydrodynamique de l’estuaire fluvial du Saint-Laurent au moyen de la modélisation numérique et de mesures de terrain, afin d’en améliorer la compréhension physique, d’identifier l’importance respective des facteurs qui en contrôlent la dynamique et d’en prédire l’évolution. Cet objectif est poursuivi suivant trois axes, soit : 1) acquérir des données détaillées permettant de quantifier la variabilité spatiale et temporelle des niveaux d’eau et des vitesses; 2) développer un modèle 1D de propagation de la marée afin d’exprimer les variations spatiales et temporelles du contenu fréquentiel de la marée en fonction des conditions non-stationnaires de forçages fluvial et océanique; et 3) fournir une description intégrée du système via une modélisation hydrodynamique 2D à haute résolution. Une campagne de terrain a été réalisée, divisée en deux volets visant, d’une part, à densifier le réseau de marégraphes en place par l’installation de sondes de pression et, d’autre part, à mesurer les variations intratidales des niveaux d’eau et des vitesses sur des sections contrastées, en combinant les technologies du RTK GPS (« Real-Time Kinematic Global Positioning System ») et de l’ADCP (« Acoustic Doppler Current Profiler »). Une procédure pour la reconstruction de champs latéraux continus et synoptiques a été développée, validée par l’entremise de mesures indépendantes, permettant ainsi d’établir un niveau de confiance élevé dans les données et leurs sous-produits. Ces dernières constituent le jeu le plus complet et détaillé à ce jour, qui documente l’hydrodynamique du système. Elles ont rendu possible une validation serrée des modèles développés et une évaluation précise de l’erreur associée à cette modélisation. Un modèle 1D de propagation de la marée a été développé, s’appuyant sur une spatialisation des coefficients de régression issus d’analyses harmoniques non-stationnaires de la marée. Il permet de prédire les niveaux d’eau moyens et les propriétés de la marée en fonction des conditions de débit fluvial et de marée océanique. Le modèle a été validé aux stations marégraphiques et par comparaison avec le modèle ONE-D, opérationnel sur le fleuve. Une précision inférieure à 30 cm en niveaux d’eau, comparable à ONE-D, a été obtenue sur l’ensemble du système. Les résultats font ressortir les effets de la friction et du débit fluvial sur l’asymétrie du signal et sur l’amplitude et la phase des composantes harmoniques de la marée. Une extension du modèle a également permis d’estimer les débits tidaux, par intégration de l’équation de continuité. Un modèle hydrodynamique 2D a été développé, reposant sur une discrétisation par éléments finis des équations de Saint-Venant. Il a été élaboré à partir de données de terrain à haute densité, issues de sondages bathymétriques multifaisceaux et LIDAR pour la topographie des berges et des estrans. L’étalonnage du modèle a permis d’atteindre des standards de qualité élevés avec, notamment, des erreurs quadratiques moyennes inférieures à 5% du marnage local aux stations aval et inférieures à 6 cm aux stations amont. Le modèle reproduit adéquatement les propriétés de la marée et la variabilité spatiale et temporelle des niveaux d’eau et des vitesses. La répartition des débits autour de l’île d’Orléans est également reproduite conformément aux mesures. Les données mesurées et les modèles développés fournissent des moyens pour décrire l’hydrodynamique de ce tronçon où les connaissances sont extrêmement limitées. Ils permettront, notamment via un couplage de modèles, de prédire les impacts potentiels de divers scénarios de changements anthropiques ou climatiques sur l’écologie, sur la qualité de l’eau et sur les activités socio-économiques qui dépendent du Saint-Laurent.

The Great Lakes/St. Lawrence Seaway System is the world’s largest inland waterway. It has a unique ecosystem and is a source of drinking water for nearly half of the Quebecers. However, the development and use of the navigation channel, the loss of large areas of wetlands under the embankment and encroachment, sediment contamination near the port facilities, and industries are all factors that alter the hydrodynamics, deteriorate water quality, limit recreational activities and affect fishery resources in the region. Numerical modeling is the perfect technological tool to understand and analyze the links between the physical and natural environment. Complemented by field measurements, it bridges the various processes at different spatial and temporal scales. While the fluvial section of the St. Lawrence (from Cornwall to Trois-Rivières) is well documented, both by numerical studies and field campaigns, very few studies have been conducted in the fluvial estuary (from Trois-Rivières to Québec). Composed of freshwater, the fluvial estuary is subject to the growing influence of a semidiurnal tide, responsible for strong current reversals, the mixing of water masses and the presence of large tidal flats. It is characterized by complex topography and highly heterogeneous substrates, adding to the variable river flows and weather conditions. This research aims to provide a detailed description of the hydrodynamics of the St. Lawrence fluvial estuary by means of numerical modeling and field measurements, in order to improve physical understanding of the system, identify the relative importance of factors controlling its dynamics and predict its evolution. This objective is pursued along three axes: 1) acquire detailed data to quantify the spatial and temporal variability of water levels and velocities; 2) develop a 1D tidal propagation model that expresses the spatial and temporal variations in the frequency content of the tides as a function of nonstationary river and oceanic forcing variables; and 3) provide an integrated and synoptic description of the system via the development of a 2D high-resolution hydrodynamic model. A field campaign was conducted, divided into two parts aiming, firstly, at densifying the network of tide gauges currently in place by installing pressure sensors and, secondly, at measuring the intratidal changes in water levels and velocities along contrasting river sections, by combining the RTK GPS (“Real-Time Kinematic Global Positioning System”) and ADCP (“Acoustic Doppler Current Profiler”) technologies. A procedure for the reconstruction of continuous and synoptic lateral fields was developed, validated using independent measurements, thereby establishing a high level of confidence in the data and their by-products. They constitute the most complete and detailed dataset to date, which documents the hydrodynamics of the system. They allowed a tight validation of the models developed and an accurate assessment of their error. A 1D tidal propagation model was developed, based on a spatialization of the regression coefficients obtained from nonstationary tidal harmonic analyses. The model allows the prediction of mean water levels and tidal properties as a function of river flow and ocean tide conditions. It was validated using a densified network of tide stations and by comparison with the ONE-D operational model. Errors less than 30 cm in water levels were obtained for the entire system, which is comparable to ONE-D. The results bring out the effects of friction and river flow on tidal asymmetry as well as on the amplitude and phase of the tidal constituents. An extension of the model was developed for the estimation of tidal discharg-es, by integrating the continuity equation. A 2D hydrodynamic model, based on a finite-element discretization of the Saint-Venant equations, was developed using high-density field data arising from multibeam bathymetry and LIDAR topography of the banks and foreshores. Calibration of the model allowed meeting high quality standards, with root-mean-square errors less than 5% of the local tidal range at downstream stations and less than 6 cm at upstream stations. The model adequately reproduces tidal properties and the spatial and temporal variability of water levels and velocities in the system. The flow distribution around the Orleans Island is also reproduced in accordance with the observations. The measured data and developed models provide a means to describe the hydrodynamics of this region of the St. Lawrence where knowledge is extremely limited. They will allow, in particular through model coupling, to predict the potential impacts of various scenarios of anthropogenic or climate changes on the ecology, water quality and socio-economic activities that rely on the St. Lawrence.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Secretan, Yves
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Morin, Jean
Mots-clés libres:	hydrodynamique; modélisation numérique; mesures de terrain; niveaux d’eau; vitesses; processus fluvio-tidaux; estuaire fluvial; Saint-Laurent
Centre:	Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt:	05 mars 2015 20:03
Dernière modification:	26 nov. 2021 18:40
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/2616

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