Configuration de base de Gaia

Les instructions suivantes se rapportent à la configuration du fichier de direction Gaia (gaia-morphodynamics.cas) créé ci-dessus, qui nécessite certains paramètres obligatoires et permet beaucoup plus de paramètres de mots-clés optionnels. Vous trouverez un aperçu des mots-clés disponibles dans le manuel de référence de Gaia](https://gitlab.pam-retd.fr/otm/telemac-mascaret/-/raw/v9.0.0/documentation/gaia/reference/gaia_reference_9.0.pdf) et le fichier du dictionnaire de Gaia /telemac/v9.0.0/sources/gaia/gaia.dico. Comme pour le fichier de direction hydrodynamique Telemac2d ou Telemac3d, le fichier de direction Gaia peut être distingué entre les groupes clés pour les paramètres généraux (liés au fichier), physiques (transport des sédiments) et numériques. Cette section présente les paramètres généraux qui englobent la configuration des fichiers d’état des limites et les définitions de base des caractéristiques des sédiments et des lits de rivière. La mise en œuvre de Bedload et/ou Suspended load est traitée dans des sections distinctes.

Paramètres généraux¶

Les paramètres généraux définissant les fichiers d’entrée et de sortie obligatoires ressemblent à ceux du fichier de direction hydrodynamique. Les fichiers d’entrée peuvent même être les mêmes utilisés dans le fichier de direction hydrodynamique. Par exemple, définir le qgismesh.slf du fichier de géométrie pre-processing **. En outre, ajouter boundaries-gaia.cli sous DOSSIER DES CONDITIONS BONDAIRES, qui sera expliqué dans la section sur boundary conditions for Gaia. Le mot clé Gaia RESULTS FILE devrait également différer du mot clé RESULTS FILE dans le fichier de direction hydrodynamique.

/ gaia-morphodynamics.cas
/
/ COMPUTATION ENVIRONMENT
/
GEOMETRY FILE : qgismesh.slf
BOUNDARY CONDITIONS FILE : boundaries-gaia.cli
RESULTS FILE : rGaia-steady2d.slf
MASS-BALANCE : YES

Les variables de sortie graphiques liées au transport des sédiments peuvent être définies avec le mot clé VARIABLES POUR PRINTOUTS GRAPHIQUES pour Bedload et/ou Suspended load et les options de liste suivantes:

• B pour l’élévation du fond (m a.s.l.)

• E pour l’évolution du bas en (m)

• F for Froude number (-)

• M pour l’ampleur (longueur) de l’unité bidirectionnelle (c.-à-d., $x$ et $y$ directions) transport des sédiments $\boldsymbol{q_s}$ (lisez plus dans la définition de l’unité Exner equation) à (kg$\cdot$m$^{-1}\cdot$s$^{-1}$)

• MU pour le coefficient de frottement cutané (en fonction de skin friction correction factors décrit dans la section sur la charge de lit)

• N pour le transport de lit à l’unité à $x$-direction $\boldsymbol{q_b}\cdot\cos\alpha$ in (kg$\cdot$m$^{-1}\cdot$s$^{-1}$) où $\alpha$ est l’angle entre l’axe longitudinal ($x$) et le vecteur de transport solide $\boldsymbol{q_b}$.

• P pour le transport de l’unité en lit à $y$-direction $\boldsymbol{q_b}\cdot\sin\alpha$ à (kg$\cdot$m$^{-1}\cdot$s$^{-1}$)

• QSBL pour l’ampleur (longueur) de l’unité bidirectionnelle (i.e., $x$ et $y$ directions) charge (seulement) transport $\boldsymbol{q_b}$ à (kg$\cdot$m$^{-1}\cdot$s$^{-1}$)

• R pour le fond non comestible (m a.s.l.)

• S pour l’élévation de la surface de l’eau à (m a.s.l.)

• TOB pour la contrainte de cisaillement du lit à (N$\cdot$m$^{-2}$)

Les paramètres M et QSBL auront la même sortie si aucune charge suspendue n’est simulée. Pour afficher plusieurs paramètres, set le mot-clé VARIABLES POUR PRINTOUTS GRAPHIQUES pour ce tutoriel comme suit:

/ continued: gaia-morphodynamics.cas
/ ...
VARIABLES FOR GRAPHIC PRINTOUTS : B,E,M,MU,N,P,QSBL,TOB

Conditions limites¶

Les conditions limites de Gaia fonctionnent de la même manière que l’hydrodynamique et peuvent être dérivées de l’hydrodynamique boundarys.cli file.

Classes de sédiments¶

Les classes de sédiments utilisées pour Gaia sont définies dans le dossier de direction et représentent les valeurs initiales. Au cours d’une simulation, l’érosion, le transport et le dépôt modifient la répartition spatiale et temporelle des classes de sédiments dans le maillage de calcul du modèle. Cette section présente la configuration de base de la classe de sédiments pour définir une ou plusieurs classes de granulométrie ayant des caractéristiques spécifiques, comme la densité des sédiments. Les sections suivantes sur bedload et suspended load vont au-delà de ces définitions de base et expliquent comment définir les équations de transport de la charge de lit ou les concentrations de sédiments en suspension.

Gaia distingue les sédiments non cohésifs et cohésifs par le mot clé CLASSES TYPE DE SEDIMENT, où les valeurs suivantes s’appliquent:

• NCO définit non-cosédimentéhésif

• CO définit cosédiment hesif

Plusieurs types de sédiments peuvent être attribués, séparés par un point-virgule (;). Pour garder le tutoriel simple, seuls les sédiments non cohésifs sont utilisés (la mise en œuvre des sédiments cohésifs est toutefois similaire):

/ continued: gaia-morphodynamics.cas
/
/ ...
/ SEDIMENT
CLASSES TYPE OF SEDIMENT : NCO;NCO;NCO

Le nombre de valeurs assignées aux mots-clés suivants doit correspondre au nombre de classes de sédiments défini ci-dessus (ici: trois). D’autres caractéristiques obligatoires des sédiments se rapportent à la taille du grain (** DIAMÈTRES DE SÉDIMENT DE CLASSES** en mètres) et à la densité (** DENSITÉ DE SÉDIMENT DE CLASSES** en kg$\cdot$m$^{-3}$) d’une classe de sédiments. Pour définir les classes de gravier, de galets et de sable, mettre à jour le dossier de direction comme suit:

/ continued: gaia-morphodynamics.cas
/
/ ...
/ SEDIMENT
CLASSES TYPE OF SEDIMENT : NCO;NCO;NCO
CLASSES SEDIMENT DIAMETERS : 0.05;0.1;0.0005
CLASSES SEDIMENT DENSITY : 2680;2680;2680

Ce tutoriel utilise trois classes de granulométrie et la densité des sédiments est ici supposée être la même pour les trois classes. Dans le monde réel, les particules plus lourdes (densité plus élevée) ont tendance à être plus grossières et sont moins susceptibles de se déplacer loin en aval dans une rivière donnée. Il faut garder ce phénomène à l’esprit lorsqu’on suppose une densité caractéristique de sédiments.

Dans les sédiments classés, une fraction initiale** du matériau du lit est attribuée à chaque classe de granulométrie avec le mot clé CLASSES INITIAL FRACTION. La somme de toutes les fractions de classe doit être égale à une. La fraction peut être estimée à partir des courbes de tamisage, par exemple, en déterminant le pourcentage que chaque classe de sédiments constitue du diamètre des particules $D_{84}$. Dans ce tutoriel, les classes de sédiments ont les fractions initiales suivantes:

/ continued: gaia-morphodynamics.cas
/
/ ...
CLASSES INITIAL FRACTION : 0.45;0.45;0.1

Les classes de taille des particules peuvent également être assignées à des valeurs spécifiques Shields parameter (CLASSES CRITIQUE SHEAR STRESS) ou à des vitesses de décantation (CLASSES SETTLING VELOCITÉS), par exemple, pour imposer des conditions de non-érosion ou de non-déposition. Il est à noter que le mot-clé SISYPHE NUMÉRO DES TAILLES DES MATÉRIAUX BÉD est obsolète à Gaia.

Les formules particulières de transport des sédiments pour simuler Bedload ou Suspended load sont liées aux phénomènes à l’étude et leur mise en œuvre dans le dossier de pilotage Gaia est expliquée dans les sections suivantes.

Couche active¶

Le boundary conditions d’un modèle définit l’approvisionnement en sédiments (écoulement) et les débits, qui peuvent provenir de stations de mesure, de mesures ou de modèles de perte de sol du bassin hydrographique, tels que l’équation révisée de la perte universelle de sol (RUSLE) Renard, 1997. Les sédiments qui passent juste par le modèle et se règlent de temps en temps avant d’être mobilisés à nouveau (par la théorie Einstein (1950)s) sont appelés charge de lavage ou charge de lit itinérante Piton & Recking, 2017. Cependant, les sédiments peuvent aussi être recrutés (érodés) dans le lit de la rivière ou déposés sur le lit de la rivière à l’intérieur des limites du modèle. Pour indiquer à un modèle morphodynamique quelles profondeurs il peut éroder (p. ex. parce que le substrat rocheux ou le béton est présent ci-dessous), une couche active peut être définie. En outre, plusieurs couches de lit peuvent être définies sous la couche active, par exemple, pour mettre en œuvre la stratification des sédiments dans le lit de rivière en fonction de la taille des grains. La stratification de la taille des grains joue un rôle particulièrement lorsque le lit de rivière est blindé, ce qui signifie que la couche de sédiments la plus haute est significativement plus grossière que les couches de sédiments plus profondes Hirano, 1971. Figure 1 illustre qualitativement ce concept, où la couche la plus haute est la couche active (également appelée couche de mélange en Gaia) et les sous-couches inférieures constituent le substrat du lit de rivière.

The active layer concept was initially introduced by Du Boys (1879) as a sequence of layers of the riverbed, which are moving at different speeds (the deeper the layer, the slower). Du Boys (1879) described that the thickness of every layer was equal to the diameter of representative grain size and that the active bed (i.e., the sum of all moving layers) can be up to 10 times the representative grain size (i.e., approximately 10 grain diameters) Frey & Church, 2011Ravelet et al., 2013. Hirano (1971) picked up on this concept and characterized the active layer as an exchange layer with a thickness of multiple times the $D_{50}$, between an immobile sublayer and a fully mobile layer in the bulk flow along the riverbed. Several processes (e.g., hydraulic shear, grain collision, or sorting) dominate within the exchange layer and the thickness of the exchange layer has been defined differently by several authors. One reason for the different definitions of the active layer thickness is that it also depends on the proportion of fine sediment contents. The difference between coarse and fine sediment is that fine sediment might build up bedforms such as ripples or dunes. Thus, in the presence of fine sediments, such as sand (diameter smaller than 1-2 mm), only models accounting for bedforms in the active layer can reproduce bed aggradation or degradation and grain sorting effects Blom, 2008. However, a model considering bedforms composed of fine sediments describes the active layer as a function of (0.5 times) the height of dunes (i.e., mega ripples) Kleinhans, 2005, which contrasts with the definition of the active layer thickness as a multiple of a grain diameter (e.g., 3$\cdot D_{50}$). Thus, there are two competing parametric and conceptual definitions of the active layer, which is why Church & Haschenburger (2017) propose the following terminology that is adapted in this eBook:

• La couche active décrit le lit de rivière immédiatement mobile où temps réel, déplacement dynamique des particules. Son épaisseur est un multiple du diamètre caractéristique du grain.

• La couche disturbance englobe la progression des vagues de sable sous la forme de scour et de remplissage sur une échelle événement. Son épaisseur est de 0,5 fois la hauteur des dunes (ou ondulations).

Bien que Gaia n’accepte qu’un mot-clé ACTIVE LAYER THICNESS, il peut se référer à la couche active comme un multiple de la taille représentative du grain, ou lorsque les sédiments fins sont présents ($\geq$ 20%), à la couche disturbance avec une épaisseur de 0,5 fois la hauteur de la dune. Lorsque le lit de rivière est composé de galets et de gravier avec une petite part de sédiments fins (environ entre 1 et 20 %), l’épaisseur de la couche active doit être généreusement supposée avec un multiple (2-3 fois) de la taille des galets.

L’épaisseur de la couche active est une valeur de cible définie par l’utilisateur dans Gaia (par défaut : 10 000 m, qui mélange efficacement tout le lit). La couche active est automatiquement créée à la surface du lit de sédiments au début d’une simulation lorsque plus d’une classe de sédiments est définie. Pendant la simulation, Gaia maintient l’épaisseur de la couche active cible par des échanges avec le substrat:

• Pendant l’érosion: La masse des sédiments est retirée de la couche active pour le transport ou la suspension du lit. Pour maintenir l’épaisseur cible, Gaia transfère la masse du substrat (la première couche non vide sous la couche active) dans la couche active. Le matériau transféré a la composition du substrat, qui peut changer la composition de la couche active au fil du temps.

• Pendant le dépôt: La masse des sédiments est ajoutée à la couche active. Pour maintenir l’épaisseur cible, Gaia transfère l’excès de masse de la couche active au substrat. Le matériau transféré a la composition de la couche active.

Si l’épaisseur des sédiments disponibles est inférieure à l’épaisseur de la couche active cible à n’importe quel nœud, l’épaisseur réelle de la couche active est égale à celle des sédiments disponibles. Ce comportement implémente l’algorithme du lit rigide de Gaia (fond non-érodable), où l’érosion ne peut pas dépasser la masse de sédiments disponible dans la couche active à n’importe quelle étape du temps.

Le lit de rivière peut être stratifié en plusieurs sous-couches (cf. Fig. 1) en définissant le mot-clé NUMBRE DES LAYERS POUR LA STRATIFICATION INITIALE (entier, par défaut: 1). Gaia divise ensuite verticalement le lit de rivière en nombre de couches définies par l’utilisateur plus une, où la couche plus une correspond à la couche active qui est ajoutée en haut. L’épaisseur des couches initiales de lit de rivière peut être définie avec le mot clé LAYERS INITIAL THICKNESS (par défaut: 100 m). Si le ACTIVE LAYER THICKNESS est plus grand que la première couche de la stratification initiale, Gaia fusionne la première couche dans la couche active et prend des sédiments supplémentaires de couches plus profondes si nécessaire pour atteindre l’épaisseur cible. La composition initiale de la couche active devient alors un mélange de sédiments provenant de ces couches fusionnées.

Dans ce tutoriel, un mélange de sable, de gravier et de sédiment de galets est utilisé avec une TAILLE DE LAYER ACTIVE** de 3 $\cdot D_{90}$ (de galets). Le lit de rivière est initialement stratifié en trois sous-couches (plus la couche active de 0,3 m d’épaisseur) et l’épaisseur initiale des couches de lit de rivière est supposée avec 1,5 m avec les définitions de mots clés suivantes dans le fichier de direction de Gaia:

/ continued: gaia-morphodynamics.cas
/
/ ...
/ RIVERBED LAYERS
ACTIVE LAYER THICKNESS : 0.3 / multiple of D90 - default is 10000
NUMBER OF LAYERS FOR INITIAL STRATIFICATION : 3 / default is 1
LAYERS INITIAL THICKNESS : 1.5 / m - default is 100

Gaia dérive des couches mixtes de sédiments cohésifs et non cohésifs de la composition de la couche active. Pour les sédiments mixtes, Gaia calcule le transport de la charge de lit seulement lorsque la fraction massique des sédiments cohésifs dans la couche active est inférieure à 30 %. Au-delà de ce seuil, les sédiments non cohésifs peuvent encore être transportés en suspension. Le Manuel de Gaia fournit de plus amples renseignements sur le transport des sédiments mixtes (cohésifs et non cohésifs) à la section 3.2.1. En outre, on peut simuler la consolidation du lit de rivière en définissant le mot-clé Modél avec 2 (cf. Manuel de Gaia, section 3.3).

Charge de lit contre charge suspendue¶

La modélisation du transport des sédiments devient rapidement coûteuse en calcul. Par conséquent, il est important d’être clair sur le type principal de transport des sédiments et d’activer seulement le phénomène le plus important (c.-à-d. soit Bedload ou Suspended load). Pour cette raison, répondez à la question *** Quel est le type de phénomène de transport des sédiments prédominant dans le modèle?*** Si vous n’êtes pas sûr de la réponse à cette question, révisez la section sur sediment transport modes. En outre, voici quelques suggestions axées sur la pratique :

• Téléchargement uniquement: La modélisation de la charge en suspension dans un lit de gravier-cobble avec une teneur en sable (c.-à-d., les sédiments sont généralement supérieurs à 2 mm) inférieure à 5-10 % n’est pas utile et la définition SUSPENSION FOR ALL SANDS : NO devrait être utilisée. Dans ce cas, le section on bedload modeling fournit toutes les informations nécessaires et la section de charge suspendue peut être ignorée.

• ** Charge suspendue seulement**: Le déplacement des particules fines dans les réservoirs, les lacs ou les zones côtières implique principalement des processus de charge en suspension. Si les sédiments sont généralement plus fins que 1 mm, la modélisation de la charge de lit peut ne pas être nécessaire. Dans ce cas, sauter la section de modélisation de la charge de lit et directement sauter à la section on suspended load modeling.

• ** Charge en vrac et en suspension**: Lorsque le mélange de sédiments comporte des particules de sable dont le diamètre est compris entre 1 et 2 mm et/ou des particules qui peuvent être plus fines ou plus grossières, les processus de transport mixte conduisent au transport des sédiments. Dans ce cas, les deux sections sur bedload et suspended load modélisation doivent être accomplies.

• Sédiment cohésif: Lorsque les sédiments cohésifs sont dans le système (c.-à-d. que le diamètre du grain est inférieur à 0,06 mm), il faut activer la modélisation suspended load.

Ce livre électronique présente la mise en œuvre de la modélisation combinée de la charge de lit et de la charge en suspension dans une courte section de rivière avec un lit de galets de gravier et une teneur en sable de 10% (avec la classe de 0,5 mm).