Amélioration des méthodes pour le suivi hydroacoustique en continu de la concentration et granulométrie du sable en suspension : application à l'Isère à Grenoble Campus

Improving methods for the hydroacoustic monitoring of suspended sand concentration and grain size : application to the Isère River at Grenoble Campus

• Auteur / Autrice : Jessica Marggraf
• Direction : Benoît Camenen, Jérôme Le Coz, François Lauters, Gilles Pierrefeu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 29/03/2024
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : RiverLy (Lyon ; 2018-....)
• Jury : Président / Présidente : Ivana Vinkovic
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoît Camenen, François Bourrin, A.j.f. Hoitink, Stéphanie Moore, Núria Martinez-Carreras
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Bourrin, A.j.f. Hoitink

Mots clés

Mots clés contrôlés

Granulométrie

Sable

Sédiments en suspension

Isère (France)

Cours d'eau

Mots clés libres

Sable en suspension

Hydro-acoustique

ADCP

Granulométrie

Flux

Isère

Suspended sand

Hydroacoustic

ADCP

Grain size

Flux

Isère

Résumé

Connaître les concentrations et la granulométrie du sable en suspension dans les cours d'eau reste des forts enjeux de gestion, car ces grandeurs sont difficiles à mesurer en raison de leur variabilité spatio-temporelle importante. Un exemple particulier en est l'Isère, une rivière aménagée avec de fortes concentrations en sables se propageant sur un lit de graviers. L'objectif de ces travaux de thèse est d'améliorer et d'évaluer des méthodes pour le suivi hydro-acoustique de la concentration et la granulométrie des sables en suspension applicables à des rivières comme l'Isère. Pour cela, des mesures avec des Horizontal Acoustic Doppler Current Profilers (HADCPs) de 400 et 1000 kHz ont été effectuées dans l'Isère à la station hydro-sédimentaire de Grenoble Campus pendant 27 mois. Les concentrations et granulométries des sédiments en suspension ont été déterminées à l'aide de 31 jaugeages solides basés sur des prélèvements ponctuels. La méthode de jaugeage solide développée par Dramais (2020) a été rendue opérationnelle et complétée avec une méthode originale d'estimation des incertitudes. L'application de différentes méthodes de mesure de la suspension en sable a aussi permis d'améliorer certaines méthodologies et de discuter les limites de certains instruments comme la sous-estimation inexpliquée des flux avec la bouteille de Delft. Aussi, le masquage des sables dans des mesures granulométriques par diffraction laser des mélanges limoneux/sableux a été mis en évidence et quantifié. La mesure a été améliorée en réalisant une séparation préalable des sédiments fins et des sables. Des méthodes hydro-acoustiques mono- et bi-fréquentielles proposées par Topping et Wright (2016) ont été appliquées et adaptées ; elles ont fourni des bonnes estimations de la concentration des sables en suspension à haute résolution, tandis que les estimations hydro-acoustiques de la granulométrie n'apportent pas de valeur ajoutée par rapport aux connaissances a priori. Les résultats des méthodes hydro-acoustiques sont cohérents avec ceux obtenus par des courbes de tarages empiriques bien calibrées pour les flux sableux à long terme, mais les méthodes acoustiques fournissent des estimations plus fiables à l'échelle de l'événement.

The knowledge of the suspended sand concentrations and grain sizes in rivers remains a challenge for river management as these quantities are difficult to measure due to their high spatio-temporal variability. A typical example is the engineered Isère River in France with its high suspended sand concentration over a gravel bed system leading to potential costly troubles for navigation and hydropower generation, depending on reservoir management operations. The aim of this PhD work is to improve and evaluate methods for the hydroacoustic monitoring of suspended sand concentration and grain size applicable to the Isère River. Therefore, measurements with 400 and 1000 kHz Horizontal Acoustic Doppler Current Profilers (HADCPs) were performed in the Isère River at the Grenoble Campus hydrosedimentary station during 27 months. The concentration and grain size of suspended sediments were determined by 31 suspended sediment measurements using the point sampling method. The Sand Discharge Computation method developed by Dramais (2020) was made operational through an open-access toolbox and supplemented with an original uncertainty estimation method. The application of different tools for measuring sand suspension allowed to improve some methodologies and to discuss the limits of some instruments such as an unexplained flux bias using the Delft bottle. Moreover, the masking of sand particles in laser diffraction grain size measurements of silt/sand mixtures was demonstrated and quantified, and further avoided by separating the fine sediments from the sand prior to analysis. Existing single- and dual- frequency hydroacoustic methods introduced by Topping and Wright (2016) were applied and adapted, and provided good estimates of the suspended sand concentration at high temporal resolution, while the hydroacoustic estimations of the grain size do not provide any added value to prior knowledge. The outputs of the hydroacoustic methods are consistent with those of well calibrated empirical rating curves for long-term sand fluxes, but the acoustic methods provide more accurate estimates at the event-scale.