Hydrodynamique des plages

De nombreux agents dynamiques affectent les plages et sont responsables des écoulements pouvant véhiculer les sédiments sableux à différentes échelles spatiotemporelles. Les phénomènes ondulatoires tels les ondes de gravité (période de 4 à 20 s), les ondes infra-gravitaires (période de 20 à 250 s) et l’onde de marée (période de 12 à 24 h) sont essentiels à considérer. La combinaison de ces différents processus hydrodynamiques fait des plages une zone au fonctionnement extrêmement complexe.

Les ondes de gravité

Les ondulations sur la mer sont générées, au large ou près de la côte, par l’action du vent sur la surface de l’eau. Leur hauteur et période dépendent du fetch , distance sur laquelle le vent souffle. La longueur d’onde, la périodicité et l’amplitude de ces ondulationsvont évoluer sous l’influence en particulier de la profondeur d’eau qui diminue du large vers la côte. Les différentes transformations que vont donc subir ces ondulations à l’approche de la côte permettent de définir des zones précises (Figure 1.2) affectées par des processus spécifiques plus ou moins dominants en fonction de leur état.

La zone de déferlement (surf zone )

Il s’agit d’une zone de transition entre la première ligne de brisants et l’amortissement des ondes induites sur la plage ayant une pente faible. Les vagues se propagent dans cette zone sous formes de bores (front d’onde); des courants et des turbulences y sont provoqués par leur propagation. Une augmentation du niveau d’eau moyen, appelé set-up, peut être induite par un surplus de flux de quantité de mouvement lié à la présence des vagues (pression, vitesse des particules…). Cet apport d’eau a tendance à accentuer le courant de retour (undertow), orienté vers le large, dont l’intensité dépend de la hauteur des vagues dans la zone de déferlement. Plus les vagues sont hautes, plus l’apport d’eau sera importantet plus le courant de retour sera fort (Levoy et al., 2000 ; Anthony et al., 2004). L’angle d’incidence des vagues déferlantes à la côte provoque un courant moyen dit d’obliquité qui induit un transport longshore (Longuet-Higgins, 1970a,b ; Bowen, 1969).

La zone de swash

Cette zone constitue le dernier domaine de propagation des ondes incidentes sur la plage.
C’est également un espace d’atténuation de l’énergie non dissipée dans le déferlement. Elle se matérialise par une oscillation périodique d’une faible hauteur d’eau sur la plage. Le swashest également caractérisé par deux mécanismes : le jet de rive (uprush ) lors de la montée de l’eau sur la plage et le retrait de nappe (backwash) lors de la descente. L’alternance entre uprush et backwash est fonction de la période propre des vagues, ainsi que de la présence d’ondes infragravitaires (Guza et Thorton, 1982 ; Holman et Sallenger, 1985).
La différence entre le niveau moyen de l’eau et le niveau le plus haut atteint par le swash s’appelle le runup . Plusieurs valeurs de runup peuvent être calculées, mais la plus utilisée dans le dimensionnement d’ouvrages ou l’érosion de plages est le runup 2% (R2), correspondant à la hauteur dépassée par 2 % des plus hauts jets de rive. Toutefois, dans le cas des études sur l’érosion des dunes, différentes formules de runup intégrant le setup induit par les vagues sont utilisées.

Les ondes infra-gravitaires

Les ondes infra-gravitaires ont des fréquences comprises entre 20 secondes et plusieurs minutes. Malgré leur faible amplitude, en comparaison aux ondes gravitaires, elles véhiculent une part importante de l’énergie dissipée par l’agitation dans la zone littorale, notamment dans la zone de swash. Il en existe trois grands types : les ondes liées, les ondes libres et les ondes de coin (Figure 1.4).

La marée

La marée est une onde oscillatoire périodique due à l’effet combiné de la rotation de la terre et de l’attraction du couple lune/soleil. En fonction des différents points du globe, de la taille des bassins et de la bathymétrie, l’amplitude de l’onde de marée, ainsi que sa période, varient. Les environnements tidaux peuvent être soumis à différents régimes de marée : la marée diurne et la marée semi diurne, dont les périodes respectives sont de 24 h 50 min et 12 h 25 min pour les plus fréquentes. D’après Davies (1964), ces régimes sont également subdivisés en fonction de l’amplitude de marée en période de vive-eau moyenne en 3 groupes (Figure 1.7) : microtidal (marnage inférieur à 2 m), mésotidal (marnage compris entre 2 et 4 m) et macrotidal (marnage supérieur à 4 m). Enfin, un quatrième groupe appelé mégatidalpeut être ajouté. Il concerne les environnements dont l’amplitude de marnage est supérieure à8 m (Levoy et al., 2000) où des plages peuvent être également observées et non seulement dessystèmes estuariens ou de baies.

La variation du niveau d’eau

En domaine méso- et macrotidal, les variations régulières du niveau d’eau le long du profil de plage induisent un déplacement périodique des différentes zones hydrodynamiques de courant de marée, de shoaling, de déferlement des vagues, du swash et de leurs courants induits. Cela entraîne donc une modification constante de leur intensité, amplifiée ou non sous l’action de tempête, et de leur influence en différents points de l’estran (Wright et al., 1982 ; Masselink, 1993). A pleine mer, sur la haute plage, les processus dominants sont donc le swash et le déferlement. Sur la moyenne plage, autour du niveau de mi-marée, ce sont principalement les processus de shoaling et de déferlement qui dominent, tandis que sur la basse plage, c’estuniquement le shoaling (Figure 1.8).
Etant donné le profil général concave des plages, la zone de levée de la houle est plus étendue sur la basse plage que sur la haute plage, entraînant une plus grande dissipation des vagues sur le fond et par conséquent une diminution de leur hauteur (Jago et Hardisty, 1984).

Formation d’escarpementpar forçage naturel

Selon un axe cross-shore

En condition de tempêtes, un départ rapide des sédiments sur la partie basse de la haute plage peut s’effectuer et ainsi créer une discontinuité dans le profil de plage. Les résultats de Duncan (1964) et Katoh et Yanagishima (1992) montrent que des phénomènes d’érosion se produisent au niveau de la zone d’affleurement de la nappe phréatique sur le profil et que des dépôts apparaissent au-dessus de l’affleurement de celle-ci. La discontinuité créée peut être accentuée par le dépôt de sédiments transportés par le swash lors de son infiltration en haut de plage (Figure 1.15a). Ce changement de configuration entraîne une érosion au niveau de la discontinuité sous l’influence de la concentration énergétique du swash de plus en plus localisée en ce point, qui, au fur et à mesure qu’elle devient marquée, peut conduire à la création d’un escarpement. Les sédiments effondrés sont alors retirés vers la partie basse de la haute plage par le swash et seul un escarpement bien marqué subsiste, séparant le profil en deux parties (Figure 1.15c). Dans une étude de simulation, Selwyn (1978) a inclus ce paramètre d’exfiltration d’eau à travers la berme comme un élément significatif dans la formation des escarpements. Ce mécanisme de formation étant mentionné comme le plus pertinent lorsque la berme est haute et que la pente de la haute plage est importante.
La forte accentuation d’unerupture de pente dans la berme de haut de plage peut entrainer des déstabilisations du sédiment en place par effondrement ou liquéfaction d’une fine couche sédimentaire de surface (Figure 1.15b). L’effondrement se fait sous forme de glissements rotationnels d’une partie de la berme avec le dépôt de la partie érodée au niveau de la discontinuité, et l’apparition d’un escarpement dans la partie sommitale du glissement. La liquéfaction du sédiment se produit lorsque le sédiment est saturé en eau par un jet de rive fréquent ou lors d’une succession d’impacts de swash sur l’escarpement, entraînant une importante quantité d’eau submergeant le sédiment qui n’a pas le temps d’être évacuée au travers de celui-ci.

Formation d’escarpement par contrôle structurel

La structure interne de la plage est un élément variable dans l’espace etdans le temps, et les paramètres la faisant évoluer sont nombreux : taille des grains et arrangement, types de sédiments, teneur en eau, température de l’air.
Dans les régions aux hivers froids, il arrive que la partie haute de la haute plage soit gelée sous l’effet des températures régulièrement en dessous de 0°C, alors que le reste du haut de plage fréquemment recouvert par la marée et le swash peut être dégelé. Lors d’une tempête, l’action plus soutenue du swash sur le haut de plage n’est pas absorbée p ar infiltration dans le sédiment rendu imperméable par le gel, entrainant un backwashbeaucoup plus énergétique (Longuet-Higgins et Parkin, 1962). Cette énergie accrue du backwash permet une remise en suspension et un transport des sédiments de la partie haute de plage non gelée vers le large. La discontinuité ainsi créée tend à se creuser au fur et à mesure des passages du swash jusqu’à créer un escarpement délimitant la partie gelée de la partie non gelée de la haute plage. Dans certains cas, la haute plage et la berme ne sont gelées que sur quelques centimètres d’épaisseurs, ainsi le swash peut faire reculer l’escarpement en érodant uniquement la partie meuble (non gelée) de celui-ci avec de temps à autre un délitement des parties gelées supérieures sous forme de plaquettes (Figure 1.17).

Modélisation de l’évolution d’un escarpement

De nombreuses expérimentations, simulant l’érosion de la partie haute des plages et des dunes lors de tempêtes, étudient le jet de rive, moteur principal de l’érosion du massif sableux, et également ses impacts dans le cas des dunes. Celles-ci sont réalisées pour la plupart par des simulations en canal à houle à des échelles plus ou moins importantes (Overton et al., 1988 ; Dette etal., 2002 ; Erikson et al., 2007 ; Roberts et al., 2007, 2010 ; van Gent et al., 2008 ; van Thiel de Vries et al., 2007, 2008 ; Palmsten et Holman, 2012), et par des simulations numériques (Overton et Fisher, 1988 ; Nishi et al., 1994 ; Newe et Dette, 1995 ; Larson et al., 2004a-b ; van Thiel de Vries et al., 2007, 2008 ; Kobayashi et al., 2009). Dans les expériences en canal, la hauteur des escarpements est souvent très proche de celle d’un escarpement de haut de plage(0,5 à 1,5 m).
L’avantage de ce type d’expérimentation est le contrôle total des paramètres considérés (hydrodynamique, sédimentaire, morphologique), la répétitivité et la relative facilité de mise en place des équipements de mesure. Les simulations en canal présentent cependant Nl’inconvénient de ne fonctionner qu’en deux dimensions selon un axe cross-shore, contrairement aux expérimentations in-situ, et peuvent présenter des problèmes de similitude, notamment en ce qui concerne les caractéristiques géotechniques des matériaux.
Un faible nombre d’expérimentations in-situ d’érosion de massifs sableux artificiels en condition de tempête avec la présence d’un escarpement ont été effectuées afin de tenter d’apprécier le volume de sédiment érodé en fonction desimpacts du swash.
Durant l’expérimention de la campagne SUPERDUCK (1986), à Duck en Caroline du Nord aux Etats-Unis, Fisher et al. (1986) ont simulé l’érosion d’unfront de dune aussi haut qu’un escarpement de plage en apportant un massif sableux de 1,3 m de côté pour 1 m de hauteur (Figure 1.20). Les résultats obtenus montrent que les volumes sédimentaires érodés ne dépendent pas de la force propre de chaque impact de jet de rive, contrairement aux travaux en canal de Young (1986), mais de l’ensemble des forces d’impact sur une période de plusieurs dizaines de minutes aboutissant à une linéarisation des résultats.
Lors de leurs expérimentations à Hasaki Beach au Japon, Kubota et al. (1997) ont mis en place une berme artificielle de dimension conséquente (20 m de large, 30 m de long et environ 1 m de hauteur ; Figure 1.21), similaire à celle observée en nature afin de déterminer le taux de transport sédimentaire sur la berme sous l’action du swash. Durant un cycle expérimental, le massif sableux a été façonné avec une pente un peu plus élevée, entrainant une érosion importante et la formation d’un escarpement d’une cinquantaine de centimètres.Les mesures ont montré qu’avec la présence de l’escarpement, le taux de transport sédimentaire était plus important que pour un profil linéaire.

Dispositif expérimental : matériels, méthodes et traitements

Ce chapitre présente les caractéristiques du site d’étude, ainsi que le dispositif expérimental, à savoir la berme artificielle et son escarpement mis en place sur la plage de Luc-sur-Mer, l’instrumentation déployée lors des deux campagnes de mesures afin d’étudier l’évolution de l’escarpement, ainsi que les méthodes et techniques appliquées lors du traitement des données.
Les mesures ont été acquises dans des conditions d’agitation tempétueuse, conditions les plus favorables à une érosion de l’escarpement, à un pas de temps évènementiel durant une ou plusieurs marées. Elles concernent l’hydrodynamisme (marée, courants et agitation), la topographie et un suivi vidéo pour l’étude des interactions escarpement/swash. Ces trois types de mesures ont été réalisés en phase afin de pouvoir corréler les forçages majeurs et l’évolution du système côtier étudié.

Caractéristiques du site d’étude

La plage de Luc-sur-Mer (Calvados) est située dans la partie sud de la Baie de Seine bordée par la Manche (Figure 2.1). La côte a une orientation générale WNW / ESE (124° Nord). Elle est soumise à un régime de marée macrotidal (amplitude de marée supérieure à 8 m en marée de vive-eau exceptionnelle) de type semi-diurne. Une série d’épis maçonnés transversaux sont présents le long de la partie haute de plage (Figure 2.2). Ils mesurent environ 80 m de longueur et leur cote d’arase se situe en moyenne à environ 50 à 70cm au dessus du sol, excepté en haut de plage où le sable arrive quasiment au sommet de l’épi.

Expérimentations de terrain

Construction de la berme artificielle

Les expérimentations menées in-situdurant plusieurs jours sur la plage de Luc-sur-Mer se sont déroulées du 1 au 4 mars 2011 pour la première expérimentation et du 6 au 9 mars 2012 pour la seconde. Les conditions nécessaires à l’érosion de la berme de haut de plage sont principalement : un niveau d’eau de pleine mer permettant d’atteindre la berme et une tempête générant des conditions d’agitation suffisantes pour éroder l’escarpement.
A l’état naturel sur la plage de Luc-sur-Mer, le pied de berme est atteint uniquement par les marées de vive-eau (coefficient supérieur à 95) dont la fréquence de retour est faible (moins d’une fois par mois). La pointe du Cotentin atténuant fortement le passage des houles océaniques de l’Atlantique vers la Manche orientale, l’érosion du pied de berme n’est possible qu’en présence d’une «mer de vent », agitation générée localement par des vents forts orientés NW à NE.
Dans le but d’augmenter les créneaux potentiels d’expérimentation dans des conditions optimales, avec notamment des niveaux d’eau et d’agitation suffisants), il a été décidé de reconstituer une berme artificielle, afin que celle-ci puisse être atteinte par des coefficients de marée plus faibles (environ 75-80) et dont la période de retour est plus fréquente de façon à suivre les processus d’érosion.
La mise en place du matériel de mesure et le façonnage de la berme artificielle à l’aide d’un tractopelle (Figure 2.7a) ont été réalisés lors de périodes de faibles coefficients de marée, juste avant le revif afin que le massif sableux ne puisse être atteint par l’eau avant le début de l’expérimentation, et lorsque les conditions météorologiques annonçaient des vents permettant la genèse d’une agitation suffisante.
La berme artificielle reconstituée sur la plage de Luc-sur-Mer s’étend environ sur une longueur de 35 à 40 m, avec une hauteur de 1 m et s’avance d’une dizaine de mètres vers la mer (Figure 2.7c-d). Elle est façonnée avec du sédiment déplacé sur le site d’étude afin que sa granulométrie soit cohérente avec une berme naturelle. Le côté de la berme exposé à la mer présente un angle important de l’ordre de 50-60° afin de simuler la présence d’un escarpement et d’engager le processus d’érosion de celui-ci lorsque le niveau de l’eau devient assez élevé pour que le jet de rive atteigne le pied de l’escarpement. Comme Overton et al. (1994) et Nishi et Kraus (1996) le soulignent dans leurs études, la compaction (par vibration, rouleau ou charge lourde) et la consolidation (par arrosage) du massif sableux a une importance sur son érosion ultérieure. Le massif sableux ne s’érodera pas de la même manière (volumes des séquences érodées, pente de l’escarpement, vitesse de recul) en fonction du degré de compaction, même si le volume total érodé est sensiblement le même. L’ensemble du massif sableux de Luc-sur-Mer a donc été compacté par les vibrations et les passages répétés du tractopelle (charge lourde vibrante), puis la partie supérieure de la berme a été lissée à l’aide d’un «râteau » trainé derrière un quad (Figure 2.7b). Pour des raisons pratiques et économiques, il n’a pas été possible d’arroser le massif sableux lors de sa mise en place. Cependant, celui-ci s’est naturellement compacté durant la période de 5 jours avant que l’expérimentation ne débute. Une humidification naturelle s’est également produite par la remonté capillaire de l’eaude la nappe phréatique dans la base dumassif sableux et par la pluie en surface.

Le scanner laser terrestre

Le scanner laser réalisant des acquisitions sur une zone s’étirant sur 360° en horizontal et 270° verticalement, le faisceau laser enregistre un point sur tout objet étant dans son champ et dans sa portée de mesure. Le nuage de points bruts qui est obtenu lors d’un levé (Figure 2.11) s’étend donc bien plus loin que la limite du périmètre d’étude (points enregistrés sur des bâtiments en arrière de la zone surveillée), et des éléments présents dans la zone d’étude peuvent être enregistrés (courantomètre en basse plage, système de mesure vidéo en haut de plage, promeneurs sur l’estran…). Ces éléments doivent doncêtre enlevés avec la création du MNT. Une longue étape de nettoyage pour chacun des nuages de points acquis est nécessaire afin de ne garder que les points topographiques du sol utiles à la problématique traitée. Le logiciel Cyclone, développé par le constructeur Leica Geosystem , est utilisé pour nettoyer lesnuages de points. Un filtre automatique peut être utilisé, mais celui-ci peut s’avérer limité pour certains éléments à supprimer du nuage de points. Dans ce cas, le nettoyage se fait manuellement via une projection des points en 3D dans Cyclone.

Paramètres extrinsèques

Les paramètres extrinsèques à la caméra sont calculés à partir de la position de points d’amer référencés relevés sur le site à l’aide d’une cible montée sur un DGPS. Pour chaque couple caméra-lentille, une douzaine de points d’amer répartis de façon la plus homogène possible dans le champ d’observation de la caméra sont relevés. Les coordonnées géographiques de ces points sont associées aux coordonnées « image » via le logiciel de calibration, puis une solution géométrique est générée (Figure 2.15). Celle-ci est considérée comme précise lorsque les erreurs moyennes sur U et V, et X et Y sont respectivement inférieures à 1 pixel et 1 mètre, et que la position de la caméra est précise à la dizaine de centimètre –précisions données par le développeur.
L’association des solutions de paramètres intrinsèques et géométriques appliqués à toutes les images permet de générer des orthophotographies à partir des images enregistrées et de faire correspondre les coordonnées « 2D image » aux coordonnées « 2D monde » (vue planimétrique). Une série temporelle (timeserie) est créée à partir de l’extraction d’une bandede pixels sur toutes les images selon un même transect. La série temporelle est ensuitedigitalisée afin d’extraire les données spatio-temporelles du swash (Figure 2.16).

Table des matières

Introduction
CHAPITRE 1 –Généralités sur les plages et les escarpements de haut de plage 
1.1 Les systèmes de plages sableuses
1.1.1 Principales caractéristiques des plages
1.1.2 Hydrodynamique des plages
1.1.3 Classification morphodynamique des plages sableuses
1.2 Erosion de la haute plage : le cas particulier des escarpements de berme
1.2.1 Formation d’un escarpement dans la berme de haut de plage
1.2.2 Evolution des escarpements dunaires et de haut de plage
CHAPITRE 2 –Dispositif expérimental : matériels, méthodes et traitements 
2.1 Caractéristiques du site d’étude
2.2 Expérimentations de terrain
2.2.1 Construction de la berme artificielle
2.2.2 Hydrodynamique
2.2.3 Topographie
2.2.4 Vidéo
2.2.5 Granulométrie
2.2.6 Compaction du sol
2.3 Conclusion
CHAPITRE 3 –Résultats expérimentaux : approche évènementielle
3.1 Conditions météorologiques
3.2 Conditions hydrodynamiques
3.2.1 Campagne de mars 2011
3.2.2 Campagne de mars 2012
3.3 Evolution morphologique
3.3.1 Observations cross-shore
3.3.2 Approche comparative 3D
3.4 Analyse et conclusion
CHAPITRE 4 – Résultats expérimentaux à l’échelle des processus 
4.1 Conditions hydrodynamiques
4.1.1 Zone de shoaling
4.1.2 Zone de swash
4.2 Evolution morphologique
4.2.1 Pied d’escarpement
4.2.2 Evolution de l’escarpement
4.2.3 Volumes érodés
4.3 Modèle d’évolution des volumes
4.3.1 Choix des paramètres
4.3.2 Nouvelle formulation
4.4 Conclusion
Conclusions générales et perspectives 
Bibliographie 
Table des figures 
Liste des tableaux