Dynamique de l'eau et des apports particulaires originaires du Rhône sur la marge continentale du Golfe du Lion

Dynamics of water and particulate matter inputs from the Rhône river on the continental margin of the Gulf of Lions

• Auteur / Autrice : Guillaume Mikolajczak
• Direction : Claude Estournel, Caroline Ulses, Patrick Marsaleix
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, Atmosphère, Climat
• Date : Soutenance le 09/05/2019
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Aérologie (Toulouse ; 1983-....)
• Jury : Président / Présidente : Pieter Van Beek
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sabine Charmasson, Katell Guizien, Aldo Sottolichio

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Hydrodynamique

Lion, Golfe du (France)

Rhône (cours d'eau)

Sédiments fluviaux

Mots clés libres

Méditerranée

Golfe du Lion

Hydrodynamique

Sédiments

Modélisation numérique

Mediterranean

Gulf of Lion

Hydrodynamics

Sediment

Numerical modeling

Résumé

Les plateaux continentaux constituent l'exutoire des fleuves et de leur charge sédimentaire provenant de l'érosion des continents. En raison de l'anthropisation des bassins versants, les fleuves charrient également de nombreux contaminants qui se trouvent majoritairement sous forme particulaire, étroitement liés aux particules sédimentaires fines. La dynamique de la matière d'origine fluviale est mal connue et fortement dépendante des caractéristiques morphologiques, hydrodynamiques et du régime fluvial du site considéré. Le plateau continental du Golfe du Lion est une zone dont la dynamique des apports fluviaux a été intensément étudiée depuis plusieurs décennies. Les tempêtes d'est ont été reconnues comme une composante essentielle du transport à travers le plateau. Elles induisent en effet de forts courants dirigés vers le sud-ouest qui exportent les eaux côtières hors du Golfe du Lion vers la marge continentale espagnole, mais aussi des vagues qui remettent en suspension les sédiments. Cette thèse a pour premier objectif d'étudier le devenir des apports du Rhône sur le plateau continental du Golfe du Lion et plus précisément d'évaluer les temps de résidence de l'eau fluviale sur le plateau en réponse aux forçages physiques. Le second objectif est de caractériser la dynamique des bilans sédimentaires du Golfe, en matière de stockage et d'érosion pour différentes régions du plateau, mais aussi de transfert entre ces régions, et finalement d'export vers la pente et la marge continentale espagnole. La méthodologie utilisée repose sur la modélisation numérique hydrosédimentaire de l'automne 2010 à l'hiver 2011 et s'appuie sur des jeux d'observations innovants. Le dispositif numérique se base sur le couplage du modèle 3D SYMPHONIE avec le modèle d'état de mer WW3 et le modèle de transport sédimentaire MUSTANG. Les observations sont issues de mouillages permanents et de la campagne CASCADE (mars 2011) durant laquelle de nombreux instruments ont été déployés. La thèse est organisée en deux parties. La première partie porte sur les temps de résidence de l'eau d'origine Rhodanienne sur le plateau du Golfe du Lion et sur son export hors du Golfe. Les résultats montrent que les temps de résidence, moyennés sur 3 mois, peuvent varier de 30 à 55 jours avec un rôle important des vents forts pour réduire ces temps de résidence. Les voies d'export au sud-ouest du Golfe du Lion ont ensuite été examinées. Dans cet objectif, l'extrémité du plateau continental, qui ouvre vers le plateau continental espagnol, et la pente continentale, qui mène vers le domaine profond, ont été séparées. En raison de la douceur de l'hiver étudié, l'export se fait à 70% vers le plateau espagnol. Ce résultat contraste avec des études antérieures montrant, pour un hiver froid, qu'une telle proportion transitait vers la pente continentale. La seconde partie concerne la dynamique des sédiments, avec pour première région étudiée le prodelta du Rhône. Sur les 8 mois considérés, 20% des apports sédimentaires du Rhône sont stockés sur 140 km2 devant l'embouchure. Le dépôt de sable est presque exclusivement limité à la zone 0-20 m tandis qu'au-delà le dépôt est majoritairement composé de vase. Sur ces zones plus profondes, les tempêtes ont pour effet d'éroder une part relativement faible des dépôts de vase et d'y déposer du sable. La seconde région étudiée est l'ensemble du plateau continental sur lequel différentes zones ont été mises en évidence. Certaines sont dominées par l'érosion des sédiments (e.g. au nord du Cap d'Agde) et d'autres, au contraire, pour lesquelles le dépôt de matière sédimentaire est dominant (e.g. vasière entre Narbonne et Leucate). Finalement, sur l'ensemble de la période étudiée, le plateau continental du Golfe du Lion a connu un flux de matière sortant de l'ordre de 5.7 Mt pour un total d'apport fluvial de 3.2 Mt.

The continental shelves are the outlet of rivers and their sediment load resulting from continental erosion. Due to the anthropization of watersheds, rivers also carry contaminants, most of which, in particulate form, are fixed to fine sedimentary particles. The filtering role of the continental shelves with regard to these inputs is poorly known and strongly depends on the morphological, hydrodynamic and river regime characteristics of the site. The Gulf of Lions is an area whose functioning with regard to river inputs has been intensely studied for several decades. Easterly storms have been recognized as an essential component of transport across the Gulf of Lions shelf. They induce strong southwesterward currents that export coastal waters out of the Gulf of Lions to the Spanish margin, as well as swells that resuspend sediment. The first objective of this thesis is to study the fate of the Rhône's inputs to the Gulf of Lions and more precisely to determine the residence times of river water on the shelf in response to physical forcings. The second objective is to study the dynamics of sediment budgets in the Gulf, in terms of storage and erosion for different regions of the shelf, but also of transfer between these regions, and finally of export to the slope and the Spanish continental margin. The methodology used is based on hydro-sedimentary numerical modelling and relies on innovative observation sets. The numerical tool is based on the coupling of the 3D SYMPHONIE model with the WW3 sea state model and the MUSTANG sediment transport model. The abundance of observations during the winter 2010-2011 motivated the choice to carry out the numerical modelling from September 2010 to May 2011. The observations are constitued of permanent moorings on the shelf and many deployed intruments during the CASCADE campaign (March 2011). The thesis is organized in two parts. The first part deals with the residence times of water of Rhodanian origin on the Gulf of Lions shelf and its export outside the Gulf. The results show that the residence times can vary from 30 to 55 days with an important role of strong winds to reduce them. Export routes in southwest of the Gulf of Lions were then investigated. For this purpose, the end of the continental shelf, which opens towards the Spanish continental shelf, and the continental slope, which leads to the deep domain, were separated. Due to the mild winter under study, 70% of exports are toward the Spanish shelf, in contrast to previous results showing that for a cold winter this percentage corresponds to a transfer to great depths via the Cap de Creus canyon. The second part concerns the transfer of sediments. We then focus on the retention of matter on the Rhône prodelta. Over the 8 months considered, 20% of the contributions from the Rhône are stored over 140 km2 in front of the mouth. The sand deposit is limited to the 0-20 m zone while beyond 20 m, the deposit only concerns mud. In these deeper areas, storms erode a relatively small portion of the mud deposits and create new sand deposits. The second zone studied is the entire continental shelf on which erosive zones north of Cap d'Agde and an accumulation on the mudflat between Narbonne and Leucate, in the upper part of the Cap de Creus canyon and at the exit of the Gulf of Lions in front of Rosas Bay are highlighted. Finally, over the period studied, the export of matter out of the Gulf of Lion shelf is about 5.7 M tons for an input of 3.2 M tons by the Gulf of Lions rivers.