ANNEXE C

RÉSUMÉS DES PRÉSENTATIONS

[placés par ordre de présentation à l'atelier]

Historique et milieu physique de la rivière Petitcodiac
Denis Haché
Présentation et informations générales - Présentation no 1

Nota : Les mesures d'élévation sont en mètres, d'après le système de référence géodésique de Levés géodésiques du Canada.

Au cours des années 1960, il y a eu trois sites évalués pour la détermination de l'emplacement de la chaussée.

1. En face de la Place Champlain, à quelques centaines de mètres en aval du ruisseau Halls, à cinq kilomètres en aval de la chaussée existante.
2. À environ 1,5 km en amont du pont Gunningsville (à quelque 500 m en aval de la chaussée actuelle).
3. À environ 400 m en amont de la chaussée existante.

Le site no 1 n'a pas été choisi parce qu'il fallait fournir un chenal de navigation à partir de l'océan jusqu'au quai existant au centre ville. On a supposé qu'il n'y aurait pas de dépôt important de boue aux sites 2 ou 3, donc qu'il n'y aurait pas d'impact important sur la navigation. L'emplacement de la chaussée a été fixé entre les sites 2 et 3.

La construction de la chaussée a commencé en février 1966, les paramètres de conception étant les suivants :

• cinq vannes à glissière de 9,1 m de largeur et de 6,3 m de hauteur
• hauteur du plancher des vannes à -1,5 m, et du plafond à + 4,8 m
• niveau normal d'opération du bassin d'amont à +3,5 m de hauteur
• petite amplitude de marée haute de 4,5 m, amplitude moyenne de 6,2 m et une grande amplitude de 7,6 m.

L'accumulation de limon a commencé immédiatement après la construction de la chaussée et l'ampleur de l'envasement a toujours été à la limite de la construction. À l'automne de 1967, l'accumulation de boues en amont et en aval de la chaussée était de l'ordre de 6 m d'épaisseur. Le dessus de la boue était à environ 1,5 m à 2 m au dessus du niveau de fonctionnement normal du bassin d'amont prévu dans les plans.

De février 1968 à mai 1968, les cinq vannes de la chaussée ont été laissées ouvertes en permanence afin d'évacuer une partie de la boue.

Au site no 1 envisagé pour la construction de la chaussée, environ 5 km en aval de la chaussée, la rivière avait rétréci, passant de 680 m en 1961 à 285 m en 1968, puis à 90 m en 2001. Pendant ce temps, le fond du chenal (thalweg) a monté, passant de -3,6 m (1961) à +3 m de hauteur en novembre 2001.

Les vannes de la chaussée ont été conçues de telle sorte qu'il y ait de l'eau qui s'écoule dans les deux sens, et le volume de ces fuites était supérieur à l'écoulement mensuel moyen de la rivière pour la plupart des mois de l'année. Le propriétaire a décidé de garder la hauteur du bassin d'amont entre +6,1 m (à la suite des crues printanières) et +2 m de hauteur (après une période prolongée d'étiage), ce qui a entraîné l'intrusion d'une quantité importante d'eau salée et le dépôt de boue juste en amont de la chaussée.

Les vannes de la chaussée et la passe migratoire ont été modifiées en 1981 afin de permettre un niveau de fonctionnement normal de 6 m. Le bassin d'amont a été vidé à plusieurs reprises pendant de longues périodes en vue d'installer des infrastructures dans le bassin d'amont ou d'aider à la migration des poissons. Le bassin d'amont a été exploité à un niveau beaucoup plus bas que le niveau de fonctionnement normal selon les saisons et à différentes occasions afin d'éviter l'érosion de ses rives.

En 1988, on a laissé entrer de l'eau salée dans le bassin d'amont en gardant entre une et cinq vannes ouvertes de façon continue pendant six semaines au printemps, et une vanne constamment ouverte pendant 6 semaines à l'automne. En avril 1988, on a ouvert cinq vannes durant les crues printanières et les marées de vive eau, entraînant une élévation maximale du niveau d'eau du bassin d'amont d'environ 5,3 m (hauteur inférieure au niveau de fonctionnement normal).

L'analyse des levés par coupes transversales de l'estuaire effectués à l'automne de 1991 et au printemps de 1992 montre l'accumulation d'environ 120 x 106 m3 de boues en aval depuis la construction. Le volume d'eau dans le bassin d'amont en dessous de 6,1 m de hauteur a été réduit d'environ 12 x 106 m3 (passant de 23 x 106 m3 à 11 x 106 m3).

Les activités de surveillance menées depuis 1998 montrent que l'accumulation de boue dans les deux premiers kilomètres en aval de la chaussée varie de -4 m après les crues printanières à +5 m à la suite d'une longue période d'étiage, généralement à la fin de l'été.

Les résultats des levés de novembre 2001 indiquent une accumulation importante de boue, soit environ 16 x 106 m3, depuis 1991. La plupart des dépôts de sédiments se sont faits en aval du ruisseau Halls. L'augmentation la plus importante s'est produite dans les derniers 10 km de l'estuaire de la Petitcodiac situés à quelque 30 km en aval de la chaussée (une augmentation d'environ 25 % des sédiments de fond de la rivière depuis 1991).

Les conditions hivernales (accumulations de glaces au bord de l'eau) ont entraîné un rétrécissement de la rivière en hiver dans les trois premiers kilomètres en aval de la chaussée, dont la largeur est passée de 120 m à 20 m de largeur.

Survol du rapport de mars 1999 sur la faisabilité de la modélisation
David Willis
Présentation et informations générales - Présentation no 2

Un modèle hydronumérique de la rivière Petitcodiac et de son estuaire permettrait d'étudier les résultats physiques de la réouverture de la chaussée construite à Moncton (Nouveau-Brunswick) en 1968. Ce modèle est à la fine pointe de la capacité de modélisation des sédiments cohésifs de 1999 parce que :

1. la longueur (55 km) et la faible largeur (50 m) du chenal actuel des basses eaux nécessitent l'emploi d'un quadrillage à maille fine et d'un grand nombre de points de grille;
2. les concentrations de sédiments en suspension, de l'ordre de 10 000 mg/L, entraînent un taux de sédimentation rapide;
3. de nos jours, le mascaret des marées montantes atteint des vitesses de 3 à 6 m/s;
4. les mécanismes qui régissent l'érosion dans l'estuaire semblent tenir à l'érosion des berges du côté abrupt des berges du chenal des basses eaux.

Les stratégies relatives à la chaussée qu'il faudra modéliser comprennent, mais sans s'y restreindre, les suivantes :

1. l'exploitation actuelle des vannes de la chaussée - l'option du " statu quo ";
2. l'optimisation de l'exploitation des vannes;
3. l'enlèvement des vannes - ouverture complète;
4. chaussée avec passage et pont - optimiser le passage;
5. aucune chaussée - retourner aux conditions d'avant 1968.

Un questionnaire a été envoyé à 18 spécialistes de la modélisation numérique, plus particulièrement à des Canadiens qui seraient disposés à participer à la modélisation de la rivière Petitcodiac et de son estuaire, leur demandant d'évaluer l'état d'avancement actuel de la modélisation numérique, en particulier en ce qui a trait à la Petitcodiac. À partir des cinq questionnaires retournés et des commentaires d'autres intervenants, on a déterminé que la modélisation était une tâche réalisable. Par conséquent, des spécifications et des paramètres ont été présentés pour l'étude de modèles et les exigences connexes relatives aux données de terrain.

Conclusions

1. La modélisation numérique des aspects hydrodynamiques, de l'érosion et du dépôt de sédiments ainsi que des glaces flottantes dans la rivière Petitcodiac et son estuaire est à la fine pointe de la technologie de 1999.
2. La modélisation coûtera moins de 350 000 $ et prendra moins de 20 mois à réaliser.
3. Le travail de terrain requis par ce modèle coûtera environ 600 000 $ et devrait être entrepris entre mars et octobre afin de consigner les données relatives aux crues printanières, aux glaces et à l'évacuation des sédiments, aux eaux libres, aux grandes marées et aux tempêtes d'automne.
4. Le coût global du projet serait inférieur à 1 000 000 $, la durée étant de moins de deux ans.

Recommandations

1. Les organismes gouvernementaux au Canada et à l'étranger sont probablement les meilleures sources de renseignements sur la modélisation, compte tenu du type de modèle à mettre au point, et du fait que les organismes gouvernementaux sont disposés à absorber une partie des coûts de développement.
2. De même, au Canada, seuls les universités et les organismes gouvernementaux ont présentement de l'expérience dans les tests de laboratoire et sur le terrain nécessaires pour utiliser ces modèles. Le travail de terrain devrait être confié à un consortium comprenant : l'Acadia Estuarine Research Centre, la Commission géologique du Canada - région de l'Atlantique, et l'Institut national de recherche sur les eaux.
3. Dès que la boue de la Petitcodiac a dégelé en 1999, l'Acadia Estuarine Research Centre devrait effectuer une épreuve de sensibilité des boues fluides sur la boue et l'eau, quelle que soit l'étape où le projet est rendu.

Modélisation hydrodynamique de conditions d'écoulement complexes
David Willis, pour Norm Crookshank
Séance sur l'hydrodynamique - Présentation no 1

(Aucun résumé disponible)

Mécanismes de dispersion verticale des sels et des sédiments dans le flux estuarien -
Dr. Noboru Yonemitsu
Séance sur l'hydrodynamique - Présentation no 2

Pour assurer la gestion de la qualité de l'eau, il nous faut absolument des modèles numériques fiables, capables de prédire les conséquences de tout changement dans les réseaux estuariens. En effet, les modèles capables de prévoir le transport des composantes en solution et des matières particulaires sont le fondement de l'évaluation de la qualité de l'eau.

La fiabilité des prévisions découlant des modèles dépend de l'exactitude avec laquelle les mécanismes physiques qui doivent être simulés sont illustrés. Malheureusement, les flux estuariens sont instables, ont des mouvements turbulents non uniformes et les différences de densité jouent généralement un rôle important. Ces facteurs contribuent grandement au transport des forces d'impulsion, de la chaleur et de la masse et influent tant sur les profils de vitesse que sur la répartition des matières dissoutes et en suspension. Ces mécanismes turbulents sont très variables dans l'espace et le temps, et ils sont propres à chaque site. Compte tenu de ces facteurs, il est pratiquement impossible de calculer avec précision les mécanismes de transport turbulent. C'est pourquoi il est primordial de continuer à investiguer et à reconnaître les mécanismes physiques dominants tels que les ondes internes et la stabilité hydrodynamique. La recherche de ce type nous permettra non seulement de mieux comprendre les mécanismes du transport turbulent, mais aussi en bout de ligne d'acrroître l'exactitude de nos prévisions. Ainsi, nous pourrons vérifier les théories actuelles au moyen d'expériences et de mesures sur le terrain.

Dans la présentation de l'un de ces mécanismes physiques, on utilise comme exemple la stabilité hydrodynamique. Une question importante est la façon dont les ondes internes (comme l'instabilité de Kelvin-Helmholtz et les ondes de Holmboe) influent sur la production d'énergie turbulente, et la façon dont cette énergie turbulente modifie la dispersion verticale ou le transport de tout constituant. Récemment, on a accordé beaucoup d'attention à ce phénomène dans les estuaires, où les mesures peuvent être prises à l'aide de dispositifs acoustiques.

On peut conclure que le transport des sédiments fins dans la rivière Petitcodiac et son estuaire peut être un processus très complexe et dépend d'un grand nombre de facteurs. Il faut étudier les mécanismes physiques en jeu avant de pouvoir faire des prévisions fiables sur le transport des sédiments. Malheureusement, la quantification de ces mécanismes dans la rivière Petitcodiac et son estuaire n'a pas encore été faite. On recommande donc fortement qu'un programme de surveillance de base soit amorcé avant de mener toute étude de modélisation.

Modélisation haute résolution des éléments finis dans les zones d'assèchement intertidales
Dr. Dave Greenberg
Séance sur l'hydrodynamique - Présentation no 3

Les études numériques centrées sur la baie de Fundy sont réalisées à l'aide d'un modèle tridimensionnel informatisé de circulation des éléments finis spécialement conçu à cette fin. Ce modèle divise le domaine géographique en triangles. La caractéristique de résolution variable du modèle des éléments finis le rend apte à couvrir un large domaine d'influence avec le niveau de détail requis dans les zones d'intérêt pour pouvoir résoudre les caractéristiques locales. Ce modèle peut également simuler les secteurs de mouillage et d'assèchement des zones intertidales. Bien que le code du modèle générique puisse tenir compte du forçage aux limites, de la densité interne de l'eau et des vents de surface en tant que forces motrices des courants, les applications présentes mettent l'accent sur les marées, utilisant le forçage aux limites par le composant lunaire diurne principal, M2, qui dans ce secteur fournit une bonne représentation de la marée moyenne.

Les travaux effectués dans la région de Quoddy au Nouveau-Brunswick étaient axés sur les propriétés des marées, la circulation résiduelle et le suivi des particules. Les dernières études ont porté notamment sur le mélange, la dispersion et les différences de trajectoires des particules en fonction de la profondeur dans la colonne d'eau. Des travaux entrepris récemment mettent l'accent sur le diagnostic dans des domaines précis de recherche comme le courant minimum permanent pour assurer un approvisionnement en oxygène continu ainsi que les mécanismes benthiques. On espère que le financement futur permettra l'élargissement du modèle de façon à pouvoir examiner plus de composantes liées aux marées, le forçage météorologique de même que l'influence de l'eau douce et de la salinité. D'autres études portant sur la totalité de la baie de Fundy ont traité de la nature changeante des constantes de marée avec l'élévation du niveau de la mer et l'inondation des baissières sous l'action couplée des marées et des ondes de tempête.

Dispersion de l'effluent dans les environnements à marée
Jochen Schroer
Séance sur l'hydrodynamique - Présentation no 4

L'ouverture du barrage chaussée de la Petitcodiac et les modifications au régime estuarien de la rivière provoqueront vraisemblablement des changements à la qualité de l'eau dans l'estuaire. Ces changements peuvent nécessiter une modélisation prédictive similaire à la modélisation des changements de l'hydraulique et du transport des sédiments. La qualité de l'eau est altérée par le rejet d'eaux usées de la station d'épuration. La Commission d'épuration des eaux usées de Moncton exploite une station de traitement primaire des eaux usées à Point Park, Moncton. L'effluent de 100 000 habitations est acheminé dans la station et l'effluent traité est rejeté dans la Petitcodiac près de la pointe Outhouse.

Le mélange de l'effluent avec les eaux de l'estuaire est conceptualisé par des théories de mélange en zone proche et en zone lointaine. Dans la zone proche, l'énergie résultant du flux de quantité de mouvement et du flux de portance hydraulique est dissipée; ainsi, l'eau propre ambiante est entraînée dans le panache et il y a dilution. Dans la zone lointaine, le panache de l'effluent est transporté avec le courant ambiant et le mélange se produit par dispersion et diffusion. En général, le panache d'eaux usées monte jusqu'à ce que la flottabilité du panache soit neutre, puis il s'étend uniformément dans toute la colonne d'eau. Les solides en suspension se déposent à une certaine distance de l'émissaire.

Pour améliorer le mélange en zone proche et en zone lointaine, on pourrait installer des diffuseurs. Les diffuseurs divisent le cours de l'effluent, qui s'écoule en plusieurs fractions, chacune étant évacuée par la buse d'un tuyau unique. Pour compiler la dilution de l'effluent dans la zone proche et dans la zone lointaine, il y a plusieurs modèles de mélange disponibles. Dans l'exemple montré, le modèle de mélange de l'Université Cornell a été utilisé pour les prévisions relatives au panache en zone proche. Les modèles RMA 2 et RMA 4 ont servi à numériser la dispersion et la dilution en zone lointaine. Pour optimiser la conception du diffuseur, un modèle unidimensionnel de tuyauterie a été appliqué.

L'exemple de l'estuaire de la rivière Miramichi illustre le processus utilisé pour établir la configuration optimale de l'émissaire à la nouvelle station d'épuration des eaux usées de Chatham. Afin de se conformer aux directives en matière de qualité de l'eau pour la protection d'une plage servant à la baignade à l'île Middle, on a fait l'essai de trois emplacements pour l'émissaire et de plusieurs configurations de la canalisation. Le concept qui en a résulté comprend l'installation d'un diffuseur à une profondeur de 10 mètres près de l'ancienne station d'épuration des eaux usées. Ce diffuseur a été optimisé afin d'assurer des vitesses de rejet élevées et des quantités relativement faibles d'effluent près du rivage.

Les principes qui régissent la dilution de l'effluent s'appliquent à l'estuaire de la Miramichi comme à celui de la Petitcodiac, bien que les deux estuaires soient très différents sur le plan du régime de marée et des rejets d'eaux usées. La diapositive 18 résume les principales caractéristiques des deux stations d'épuration et des deux estuaires.

Survol des approches de modélisation possibles pour la rivière Petitcodiac et son estuaire
Andrew Driscoll
Séance sur l'hydrodynamique - Présentation no 5

Le but de cette présentation est de discuter en termes généraux des types de modèles numériques qui peuvent s'appliquer à l'étude des questions environnementales complexes liées à la rivière Petitcodiac et à son estuaire. Pour illustrer notre propos, nous avons établi plusieurs modèles non étalonnés pour le secteur de la baie de Fundy / Petitcodiac.

Dimensions des modèles

Dans un système modélisé, la complexité et les exigences du point de vue informatique augmentent avec le nombre de dimensions résolues. Le modèle de base est le modèle unidimensionnel (réseau de coupes transversales). Bien qu'offrant une description simpliste des caractéristiques géométriques et physiques du milieu, les modèles unidimensionnels sont efficaces du point de vue informatique, et donc capables de simulations à long terme.

À l'autre extrémité du spectre se trouvent les modèles tridimensionnels, qui fournissent une description détaillée des flux et des processus, mais qui ont souvent une couverture spatiale et temporelle limitée à cause de la capacité informatique importante qu'ils nécessitent.

Types de grilles de modèles

On peut trouver de nombreuses descriptions de grilles horizontales. La grille rectiligne " classique " peut être établie avec un minimum d'effort, mais elle n'offre aucune flexibilité d'adaptation de la résolution de la grille lorsque nécessaire. Il est possible de contourner cette difficulté en grande partie en nichant de façon dynamique des grilles multiples.

Les grilles curvilignes offrent une plus grande capacité de résolution focale et se prêtent bien à la modélisation de chenaux sinueux et de méandres. Elles fournissent aussi une meilleure description de l'écoulement à proximité des berges.

Une grille non structurée d'éléments finis assure la plus grande flexibilité d'adaptation de la résolution.

Intégration des mécanismes pertinents

Plusieurs questions autres que les dimensions et le type de grille du modèle revêtent un intérêt particulier dans l'étude de la Petitcodiac. Parmi celles ci se trouve l'intégration de mécanismes tels que le mouillage et l'assèchement, l'écoulement supercritique et les structures hydrauliques.

On peut gérer les mécanismes de mouillage et d'assèchement soit par l'altération des caractéristiques des cellules asséchées (porosité du marais, technique des couloir), soit par l'ajout ou l'enlèvement de cellules dans le domaine modèle à mesure que le niveau de l'eau change (enlèvement de points).

On peut gérer l'écoulement supercritique en supprimant les facteurs de convection afin d'éviter l'instabilité du modèle lorsque le nombre de Froude est élevé.

De façon générale, les structures ne peuvent être modélisées directement et sont paramétrisées comme source-puits ponctuel des deux côtés de la structure, lorsque l'écoulement est déterminé par une relation empirique ou semi empirique.

Sommaire

Le cadre de référence du projet tel que distribué aux fins de la discussion à l'atelier est ambitieux et d'une grande portée. Il faudra une application hybride combinant de multiples outils (unidimensionnels, bidimensionnels et tridimensionnels) si l'on veut résoudre toutes ces questions.

Transport des sédiments cohésifs dans les estuaires
Dr. Krish Krishnappan
Séance sur les sédiments - Présentation no 1

Cette présentation fournit un survol des approches de modélisation pour le transport des sédiments cohésifs dans les estuaires. Elle englobe les deux approches de modélisation qui sont présentement exposées dans la documentation disponible. La première approche considère la région d'écoulement en couches distinctes telles que la couche de particules en suspension, la couche de boue fluide, la couche du lit partiellement consolidé et la couche du lit complètement consolidé; de plus, elle résout les différentes équations régissant chaque couche. Les flux de sédiments qui transportent les sédiments d'une couche à l'autre doivent être précisés dans ces modèles au moyen de relations empiriques qui sont établies pour les sédiments particuliers aux sites. La deuxième approche, encore au stade de la recherche, considère la région d'écoulement comme étant une couche unique et résout une équation d'écoulement à deux phases en vue de définir le profil des concentrations dans l'estuaire de la surface libre jusqu'au lit stationnaire. Cette approche de modélisation requiert des données sur les propriétés des flocs, notamment la taille des flocs, la densité, la vitesse de sédimentation, les taux d'agrégation et de désagrégation et les contraintes effectives. On doit recueillir les renseignements ci dessus aussi à l'aide de mesures directes des sédiments particuliers aux sites.

On décrit également les installations expérimentales de l'Institut national de recherche sur les eaux à Burlington (Ontario), qui peuvent mesurer les flux de sédiments entre les diverses couches et les propriétés des flocs dans les sédiments cohésifs, notamment le canal circulaire rotatif, l'appareil de mesure in situ de la granulométrie des particules et le canal in situ pour l'étude de l'érosion. Le canal circulaire rotatif permet de mesurer les taux d'érosion et de dépôt des sédiments pour chaque site, le taux de consolidation des dépôts de sédiments fins, la taille des flocs, la densité et la vitesse de dépôt des sédiments en flocs. L'appareil de mesure in situ de la granulométrie des particules est utile pour mesurer la distribution des tailles de sédiments en suspension et le canal in situ pour l'étude de l'érosion convient à la mesure de la tension de cisaillement critique pour l'érosion, et des taux d'érosion des sédiments à partir du lit.

Comportement des sédiments dans des milieux à forte turbidité
Tim Milligan
Séance sur les sédiments - Présentation no 2

On a observé un dépôt extrêmement rapide des sédiments fins près d'un canal artificiel situé entre les rivières Edisto et Ashepoo en Caroline du Sud. Les taux d'accumulation de l'ordre de 0,05 m/mois ont formé un secteur de boue fluide connu sous le nom de " Mud Reach ", qui était présent au cours d'une étude effectuée en mai 1998. L'analyse de photographies des sédiments en suspension a montré que la colonne d'eau était peuplée de flocs ayant un diamètre moyen de l'ordre de 0,3 mm, qui avaient tendance à rester en suspension pendant tout le cycle tidal, et des flocs de l'ordre de 0,8 mm avaient une vitesse de dépôt calculée d'environ 1 cm/s; ces derniers restaient près du fond, sauf à une vitesse de cisaillement maximale, u*. L'analyse granulométrique des particules inorganiques désagrégées dans la suspension et des échantillons d'une carotte prélevée dans le Mud Reach a montré que l'accumulation de matériau sur le fond était le résultat du dépôt des flocs et que malgré les valeurs élevées de u*, il se produisait peu de triage de ce matériau. Ces résultats sont compatibles avec les recherches de laboratoire sur le dépôt de sédiments fins, qui montrent que le dépôt maximal de sédiments en flocs se produit à des concentrations élevées, dans des conditions de faible turbulence. Dans la rivière Petitcodiac, on peut s'attendre à des vitesses de sédimentation extrêmement élevées en raison de la forte charge de sédiments et de la faible turbulence observée à marée étale. Ces conditions favorisent l'accumulation de boue fluide, diminuant ensuite les contraintes exercées sur le fond. Un mécanisme de rétroaction est ainsi amorcé, qui peut entraîner un piégeage accéléré des sédiments fins dans l'estuaire de la Petitcodiac, comme le montre l'accrétion rapide et continue des vasières à Moncton.

Propriétés des suspensions de sédiments fins près du fond en fonction du temps et de la densité
Dr. Richard Faas
Séance sur les sédiments - Présentation no 3

Particulièrement importantes pour les environnements soumis aux marées, ces propriétés sont très dépendantes de l'asymétrie des marées et se trouvent dans les suspensions dont la densité varie de 1,02 à 1,20 mg/m3 (soit 10 à 480 g/L). Les propriétés de la limite d'élasticité, l'épaississement et la fluidification par cisaillement, la thixotropie et la viscosité " apparente " semblent toutes être liées au temps de sédimentation et au développement de la densité durant les périodes de marée étale. Une courte période de marée étale produira un nouveau dépôt boueux de faible densité, avec une limite d'élasticité apparente peu élevée et une faible thixotropie, qui sera facilement remis en suspension en raison du flux de fluidification par cisaillement et sera transporté par la marée montante ou descendante. En revanche, une période de marée étale plus longue permettra aux mêmes sédiments de se consolider et d'augmenter leur densité, d'atteindre une limite d'élasticité apparente importante, de résister à leur remise en suspension par le flux de fluidification par cisaillement et de rester à proximité du fond pendant une grande partie du cycle tidal. Les modélisateurs doivent connaître ces particularités et les situations dans lesquelles elles se produisent afin de prédire l'accumulation et l'agglomération de particules transportant des polluants et/ou créant des hauts fonds et des vasières qui peuvent nécessiter des dragages fréquents.

Bilan sédimentaire de la baie Chignecto
Dr. Carl L. Amos
Séance sur les sédiments - Présentation no 4

Le réseau de la baie Chignecto (qui englobe la rivière Petitcodiac et son estuaire) est dominé par le limon et l'argile qui se déplacent principalement en suspension. L'origine de ces matériaux à grain fin est le lit de la baie Chignecto (7,3 x 106 m3/a), résultant en grande partie de l'érosion du lit causée par l'amplification des marées depuis 4 000 ans (Amos et al., 1991). Cet apport massif de matériau dans la colonne d'eau se traduit par une diminution exponentielle de la concentration moyenne (C) des particules en suspension vers la sortie de l'estuaire et il a entraîné la formation de grands marais salés et de vasières au fond de la baie, dont la plupart ont été regagnés sur la mer, éliminant ces puits naturels de sédiments. La distribution des matières en suspension est régie à la fois par le flux de marée et par les ondes de tempête. L'asymétrie des marées (de même que la différence dans le taux de variation de la vitesse du courant entre marée haute et marée basse) favorise l'équilibre entre le transport des sédiments vers le fond de la baie et leur dispersion vers la mer à marée descendante, la circulation secondaire (Tee et Amos, 1991) et l'écoulement d'eau douce (Amos et Tee, 1989). L'action des vagues perturbe cet équilibre en causant des changements à C, qui entraînent plusieurs effets : d'abord, les variations de C ont un effet direct sur le seuil de sédimentation et sur la vitesse de dépôt massique, qui à leur tour altèrent le mouvement résiduel des matières; ensuite, les variations du gradient en C ont un effet direct sur le bilan massique vers la sortie de l'estuaire : si le gradient exponentiel devient plus profond, les sédiments sont évacués vers la mer; si le gradient devient moins profond, les sédiments sont déplacés vers la rive. La formation de glaces et le dégel ont un effet similaire, sinon plus grand, sur ce bilan massique, qui a une énorme influence sur la diffusion des sédiments vers la mer. Dans cette présentation, je vais examiner le bilan sédimentaire de la baie Chignecto sur une base saisonnière et annuelle et à l'échelle du millénaire et tenter de faire le lien avec les volumes de sédiments emprisonnés dans les vasières de la Petitcodiac. J'aborderai également les principaux facteurs qui régissent ce bilan.

Références

Amos, C.L. et Tee, K.T. 1989. Suspended sediment transport processes in Cumberland Basin, Bay of Fundy. Journal of Geophysical Research 94(C10): 14,407-14,417.

Tee, K.T. et Amos, C.L. 1991. Tidal and buoyancy-driven currents in Chignecto Bay, Bay of Fundy. Journal of Geophysical research 96(C8): 15,197-15,216.

Amos, C.L., Tee, K.T. et Zaitlin, B.A. 1991. The post-glacial evolution of Chignecto Bay, Bay of Fundy, and its modern environnement of deposition. In D.G. Smith. G.E. Reinson, B.A. Zaitlin and R.A. Rahmani (eds) Clastic Tidal Sedimentolgy. Publ. Canadian Society of Petroleum Geologists 16: 59-90.

Modèles européens du transport des sédiments cohésifs
Dr. Erik Toorman
Séance sur les études de cas - Expériences vécues en Europe - Présentation no 1

Des modèles de transport des sédiments cohésifs ont été mis au point en Europe depuis les années 1980. Pour des fins d'ingénierie, ces modèles étaient initialement des modèles bidimensionnels horizontaux (2DH) à moyenne calculée en fonction de la profondeur. L'évolution de la complexité des modèles est directement liée aux progrès réalisés dans les capacités du matériel informatique et des résolveurs numériques. Depuis le milieu des années 1990, des efforts considérables ont été déployés afin de mettre au point des modèles hydrostatiques tridimensionnels, ce qui a permis la description de processus verticaux, y compris des échanges turbulents, la stratification et la floculation. Récemment, on a observé une tendance vers l'élimination de la restriction liée à l'hydrostatique, en particulier dans des conditions d'écoulement stratifié. Une approche en phase continue est utilisée, qui se justifie tant que les concentrations demeurent inférieures à 1 % par unité de volume, ce qui est habituellement le cas, sauf près du fond, où il peut y avoir des suspensions concentrées ou des couches de boue fluide.

Les principaux progiciels utilisés en Europe sont le Delft-3D (Delft Hydraulics, Pays Bas), le MIKE3 (Danish Hydraulic Institute, Danemark) et le Telemac (Laboratoire national d'hydraulique et d'environnement, France, en collaboration avec HR Wallingford, R. U., et SOGREAH, France). Ces logiciels comportent divers modules, p. ex., pour l'hydrodynamique, les vagues, le transport des sédiments et la qualité de l'eau. Ces modèles sont très robustes, au détriment de l'exactitude des résultats étant donné l'introduction de la diffusion artificielle afin de pouvoir faire des calculs stables du point de vue numérique.

Des efforts sont constamment déployés afin d'améliorer le rendement des modèles. Une collaboration entre les grandes équipes de recherche commerciales, gouvernementales et universitaires est financée en partie par la Commission européenne dans le cadre de son programme des Sciences et technologies marines. Les projets de G6/8M Coastal Morphodynamics (en partie), les 3D Models et COSINUS mettent l'accent sur les modèles de transport des sédiments cohésifs (TSC).

Dans le cadre du projet COSINUS, on a investigué plusieurs points faibles des modèles actuels sur le paramétrage de divers processus. Il y a eu des améliorations importantes apportées à la modélisation de l'interaction sédiments-turbulence et à l'occurrence de suspensions benthiques concentrées. Cette dernière a permis la mise au point d'un nouveau module pour les couches fluides dans le modèle Delft-3D. Aucun progrès important n'a été fait concernant la modélisation de la vitesse de sédimentation et de l'érosion. La floculation peut être décrite de façon satisfaisante au moyen d'un modèle cinétique structurel, mais son étalonnage est fastidieux. La modélisation de l'érosion demeure la partie la plus faible du modèle, et elle le sera probablement toujours étant donné le degré élevé d'incertitude des paramètres correspondants du modèle. On peut s'attendre aussi à d'autres progrès dans la modélisation des effets près du fond, où l'on enregistre des concentrations élevées et une grande laminarisation; ces progrès sont importants si l'on veut améliorer l'estimation de l'échange de sédiments avec le fond.

Dans le cadre du G8M et du projet COSINUS, on a mené quelques exercices de comparaison entre les modèles. Le premier, où des essais sur un canal en laboratoire ont été simulés, a montré la difficulté de modéliser l'érosion, qui pourrait être attribuable dans une grande mesure au manque de connaissances sur la structure du lit et sa résistance, malgré la force du scissomètre, et de données sur les profils de densité. Les cas types du projet COSINUS étaient purement académiques, sans données expérimentales de référence. Les divers modèles dévient de plus en plus les uns des autres avec l'augmentation de la charge de sédiments. Ces différences s'expliquent, du moins en partie, par les effets artificiels engendrés par les schèmes numériques et par les procédures de modélisation de la couche près du fond.

Le temps et la distance jouent un rôle important dans la prise de décisions concernant l'approche de modélisation. Tel que mentionné précédemment, on peut appliquer les modèles de transport des sédiments avec des coûts acceptables pour les calculs à des problèmes liés au temps jusqu'à concurrence d'un cycle de marée vive eau à marée de morte eau, en général. De façon plus particulière, les prévisions à long terme (c à d. des années ou des décennies) nécessitent bien des simplifications et des approches de rechange. Il n'y a pas de consensus sur la façon d'y parvenir. Deux études de cas récents sont discutées brièvement pour illustrer ce point.

Aux Pays Bas, une étude de faisabilité est effectuée sur la construction possible d'un nouvel aéroport international sur une île artificielle qui serait construite en face de la côte. Ce projet, appelé " Flyland ", comporte diverses études, entre autres concernant l'impact de l'île sur l'hydrodynamique, la morphologie et le transport des sédiments et éléments nutritifs le long de la côte néerlandaise, mais on s'inquiète plus particulièrement des impacts environnementaux éventuels sur la mer de Wadden, une grande réserve côtière naturelle d'importance internationale qui s'étend jusqu'au Danemark. L'hydrodynamique est calculée au moyen du Delft-3D pour un cycle de marée de vive eau à marée de morte eau et est réutilisée par la suite pour le calcul des mécanismes de transport à l'aide d'une grille tridimensionnelle à 4 couches. Cela signifie que bien des effets de couplage ne peuvent pas être pris en compte. Les corrections pour les variations saisonnières de plusieurs paramètres et flux sont comptabilisées. L'incertitude entourant les résultats est considérable et ce, à cause de nombreux facteurs.

La deuxième étude de cas porte sur le Mont Saint-Michel, en France, une petite île rocheuse de granit comportant un monastère historique et un village, près de la côte, à la frontière de la Normandie et de la Bretagne; il s'agit d'un site du patrimoine mondial de l'UNESCO et d'un lieu touristique important. Compte tenu des travaux de mise en valeur des terres effectués par le passé, de la chaussée fermée qui conduit à l'île et du complexe de vannes sur le fleuve Couesnon, l'île tend à perdre son caractère marin à cause de l'accrétion rapide de marais salés voisins. Une étude est effectuée dans le but de modifier les structures hydrauliques pour restaurer et préserver le caractère original de l'île. La période touchée dans ce cas était de 50 ans. Une approche totalement différente a été adoptée. L'étude a été menée à l'aide d'un modèle physique à l'échelle, en combinaison avec un modèle numérique (Telemac). Ce dernier a servi à déterminer les conditions aux limites pour le modèle physique et à simuler diverses conditions à court terme comme le champ de courant et la distribution de la turbidité dans les conditions finales. Le modèle physique a été étalonné au moyen de données historiques, en remontant cinquante ans en arrière, et des résultats du modèle numérique.

L'interprétation des résultats du modèle de transport des sédiments cohésifs (TSC) doit être effectuée avec grand soin, en tenant compte des limites du modèle. L'incertitude liée aux résultats est élevée à cause des grandes marges d'erreur des modèles physique et numérique, de l'incertitude relative aux données et de l'incertitude relative aux paramètres du modèle, qui peuvent être attribuées à la complexité du transport naturel de sédiments, dont on ne peut comptabiliser avec précision la grande variabilité dans l'espace et le temps. De plus, les restrictions relatives au temps et au financement ont posé des limites aux données de mesure et aux calculs. Néanmoins, les modèles de TSC ont démontré qu'ils peuvent prédire correctement les tendances, du moins qualitativement.

Références

Toorman, E.A. (2001). Cohesive sediment transport modelling: European perspective. In: Coastal and Estuarine Fine Sediment Processes (W.H. McAnally & A.J. Mehta, eds.; Proc. INTERCOH'98, Seoul, May 1998), pp.1-18, Elsevier Science, Amsterdam.

Ressources Internet
http://www.bwk.kuleuven.ac.be/bwk/cosinus/cosinus.html
http://www.dhisoftware.com/mike3/
http://www.delft3d.com/soft/d3d/index.html
http://www.telemac-system.com/gb/default.html

Exemples de modèles et de projets liés aux estuaires
Dr. Ole Petersen
Séance sur les études de cas - Expériences vécues en Europe - Présentation no 2

L'environnement dans les estuaires à marée est généralement le résultat d'un équilibre dynamique entre les marées et les ondes de tempête, le ruissellement riverain et la salinité de l'eau de mer, les conditions météorologiques locales, la topographie et les flux et dépôts de sédiments. Il est typique d'avoir un mélange d'eau salée et d'eau douce dans l'estuaire, ce qui entraîne souvent la création d'un milieu stratifié relativement complexe. À long terme, la topographie proprement dite peut se modeler en fonction du régime prévalent de vagues, de courants et de flux de sédiments, contribuant ainsi à l'équilibre fragile qui s'établit dans un estuaire. De plus, les intérêts et les usages que la société entretient en regard des estuaires sont divers et souvent contradictoires. L'acquisition de données quantitatives et la modélisation d'un milieu si dynamique peuvent donc représenter un défi difficile à relever, mais souvent indispensable.

Les sédiments dans les estuaires peuvent être de taille variable, allant de sédiments riverains grossiers dans la partie amont, qui sont déplacés lors d'épisodes occasionnels vers des masses de fins sédiments marins, qui changent d'endroits avec le cycle tidal. Par conséquent, les mécanismes qui touchent l'estuaire surviennent sur une grande échelle temporelle et spatiale. Il faudrait en tenir compte dans la modélisation pour que des modèles ciblés permettent de trouver des solutions à des problèmes distincts, de façon à utiliser les ressources disponibles de la façon la plus efficiente.

Aujourd'hui, un certain nombre de modèles existent, qui sont fondés sur des hypothèses allant de modèles unidimensionnels stables, qui peuvent décrire l'établissement à long terme de réseaux fluviaux complets, à des modèles tridimensionnels détaillés décrivant précisément l'écoulement et le transport autour de structures compliquées. En général, les modèles tiennent compte de l'hydrodynamique, de certains effets baroclines, de la qualité de l'eau et du transport des sédiments. Certains de ces modèles sont résumés au tableau 1, d'après le système modèle DHI.

Tableau 1. Exemples de modèles et types d'applications possibles
La modélisation peut viser plusieurs buts, notamment :

• établir des prévisions de situations futures, lorsqu'il n'y a pas de données disponibles;
• fournir des comparaisons cohérentes entre divers scénarios;
• rationaliser la compréhension d'une base d'observations et aider à définir des programmes de surveillance.

La capacité du modèle d'atteindre ces buts dépend notamment de l'incertitude de la modélisation, qui peut être liée aux équations du modèle et à la solution, à l'incertitude dans les observations utilisées pour l'étalonnage et aux inexactitudes ou à la pertinence pour une situation donnée des valeurs utilisées pour l'étalonnage.

Étude de l'estuaire du Tamar

L'estuaire du fleuve Tamar, au Royaume-Uni, est un estuaire macrotidal de 40 km de long situé sur la côte sud de l'Angleterre, qui donne lieu à une turbidité distincte maximale. En tant que participant au projet de recherche COSINUS, financé par l'Union européenne (UE), une étude approfondie prévoyant des observations sur le terrain et une modélisation a été faite afin de valider des modèles tridimensionnels du transport des sédiments cohésifs. L'une des avancées importantes du projet a été la détermination et la modélisation de hautes couches de boues concentrées, formées lors des périodes calmes du cycle tidal.

Étude de l'estuaire de la Loire

Il s'agit d'un estuaire macrotidal, d'environ 100 km de long, avec une amplitude de marée allant jusqu'à 5 m. On peut observer un maximum de turbidité distinct, où le volume de sédiments en suspension est d'environ 1,5 x 106 m3, avec des concentrations maximales de l'ordre de 1 g/L. En association avec les sédiments en suspension, on observe une demande très accrue en oxygène.

Le but de l'étude était d'aider à la prise de décisions pour l'élaboration de stratégies de restauration de l'estuaire, tenant compte notamment des questions de navigation, de la qualité de l'eau, des effets sur le milieu naturel et urbain, de l'habitat du poisson et des utilisations agricoles.

Comme approche privilégiée, on a décidé de mettre au point un modèle unidimensionnel de réseau, s'inspirant du MIKE 11, pour l'écoulement, le transport des sédiments, la morphologie et la qualité de l'eau. Ce modèle avait pour but, d'une part, de résoudre le cycle tidal et l'élaboration d'une importante asymétrie de marée dans tout l'estuaire et, d'autre part, de prédire les effets ultérieurs sur un horizon de 40 ans. Le modèle unidimensionnel a été appuyé de plusieurs modèles bidimensionnels, pour tenir compte des détails locaux comme l'érosion des berges ou des effets de différents scénarios de dragage.

Lac Mühlenberger, cours inférieur de l'Elbe

L'Elbe forme un estuaire tidal, avec une amplitude de marée allant jusqu'à 3 m et mesurant quelque 50 km de long de Cuxhaven jusqu'au barrage de Geesthact. L'estuaire permet l'approche au port de Hambourg et renferme des quantités considérables de fins sédiments en suspension.

Le but de l'étude était d'estimer les effets possibles de la réouverture d'un bras du fleuve, l'Alte Süderelbe, pénétrant dans la zone écologiquement fragile du lac Mühlenberger. On prévoyait ménager une ouverture à travers deux structures à vannes, donc l'étude visait aussi l'élaboration de stratégies d'exploitation des vannes, en vue de la protection contre les crues et du confinement des sédiments contaminés.

Aux fins de l'étude, un modèle bidimensionnel local du bras de la rivière et du lac Mühlenberger a été mis au point, décrivant les cycles de marée de vive eau et de morte eau d'échange des sédiments à travers les vannes, ainsi que la morphologie; ce modèle a servi à optimiser l'exploitation des vannes. Un modèle unidimensionnel a été utilisé pour évaluer l'évolution à long terme de la qualité de l'eau et de l'envasement.

Asymétrie des marées, mécanismes de mélange et piégeage des particules dans les estuaires stratifiés
Dr. Bob Chant
Séance spéciale sur les mécanismes liés aux marées - Présentation no 1

Les observations dans l'estuaire de la rivière Navesink, dans le nord du New Jersey, démontrent que la flottabilité augmente la tendance vers le piégeage des particules dans les systèmes dominés par les courants de flot, parce que ces estuaires renforcent l'asymétrie des périodes de marée par stratification. Au cours de la longue et lente marée descendante, qui caractérise les systèmes dominés par les courants de flot, une rétroaction positive entre la tension de marée et le faible mélange vertical entraîne la stratification de l'estuaire. En revanche, durant le courant de flot, la turbulence engendrée par les courants de marée plus vigoureux augmente la surtension du champ de densité et la colonne d'eau se mélange bien. L'asymétrie de la période de marée en stratification a des effets importants sur la structure verticale et le transport des matières en suspension. À marée descendante, le faible mélange vertical permet aux matières en suspension de se déposer vers le fond. Par contre, la forte turbulence observée durant le courant de flot mélange les matières en suspension dans la colonne d'eau, d'où elles sont transportées vers le haut de l'estuaire. De plus, certaines observations ont permis de constater que les épisodes de remise en suspension sont marqués par de multiples pics de la turbidité, ce qui laisse penser qu'il y a de multiples couches limitées de matières sujettes à l'érosion. Le transport d'eaux turbides va de pair avec l'advection horizontale modifiée par la dispersion horizontale. Des indices relativement faibles de turbidité caractérisent aussi les périodes de stratification marquée durant la marée descendante, entraînant une sédimentation plus complète des matières en suspension suivant les périodes de débits accrus de la rivière.

L'interaction entre la flottabilité, ou portance hydraulique, et l'asymétrie des marées est encore plus manifeste dans un modèle numérique unidimensionnel illustrant un profil de fermeture turbulente avec un traceur passif de sédimentation. Les résultats du modèle sont généralement compatibles avec les observations sur le terrain, les deux mettant en lumière la forte tendance vers le piégeage des particules dans un estuaire dominé par les courants de flot. Nous présumons que le piégeage accru des particules suivant les périodes de débit accru de la rivière peuvent avoir des répercussions considérables sur la biologie du milieu.

Des données recueillies à bord de bateaux et à quai ont aussi été présentées en provenance de l'estuaire de la rivière d'Hudson, qui démontrent le mouvement des sédiments tant en fonction des marées que des saisons. Comme pour la Navesink, le piégeage des sédiments se retrouve dans les régions où la stratification est prononcée. Cependant, la stratification varie suivant le débit de la rivière, et les sédiments rejetés en aval au cours de la crue printanière d'avril commencent à remonter le cours d'eau lorsque le débit de la rivière diminue et que la stratification se déplace vers l'amont. Une région où un piégeage accru se produit à proximité d'un étranglement du chenal où le gradient de salinité horizontal augmente et contribue à piéger les matières en suspension dans les flux horizontaux convergents.

Prédictions opérationnelles des ondes de tempête et des crues
Dr. Hal Ritchie
Séance spéciale sur les mécanismes liés aux marées - Présentation no 2

Pendant une vingtaine d'années, le Service météorologique du Canada (SMC), par l'entremise du Centre météorologique des Maritimes (CMM) dans la région de l'Atlantique (SMC-A), a eu comme responsabilité d'aviser le public lorsqu'une combinaison de marée haute et de tempête violente entraînait un risque d'élévation du niveau d'eau au dessus de la normale et pouvant inonder certains secteurs côtiers. Les marées sont facilement prévisibles étant donné leur caractère périodique, mais par le passé, il n'y avait aucune ligne directrice fondée sur un modèle numérique pour prévoir un autre volet, les ondes de tempête, des niveaux d'eau qui sont causés par les systèmes atmosphériques.

Une équipe d'océanographes de l'Université Dalhousie (Dal) a récemment mis au point un système de prédiction des marées de tempête pour la côte est du Canada. Ce système est fondé sur un modèle bidimensionnel barotrope qui est forcé par la pression atmosphérique de surface et les vents. Fruit d'une collaboration dans le cadre du Programme de recherche sur la prévision environnementale en Atlantique (PRPEA), ce système a été transféré de l'Université Dalhousie au CMM, où il a été implanté en tant que premier système opérationnel de prévision des marées de tempête au Canada. Le système opérationnel est forcé par les valeurs de la pression atmosphérique de surface et des vents aux trois heures, qui sont fournies par le modèle opérationnel de prévision météorologique régionale du SMC, et il prédit les marées de tempête jusqu'à 48 heures à l'avance. Le transfert du système comportait une évaluation préliminaire (sous forme de " simulation rétrospective ") pour la période de septembre 1996 à février 1997, et une autre évaluation pour la période du 18 octobre au 6 décembre 1999, quand le système a commencé à fonctionner au CMM. Le système n'a pas tardé à démontrer son potentiel en produisant des prévisions très précises d'ondes de tempête sévères pour le 21 janvier 2000, qui ont causé des dommages considérables et des inondations importantes à l'Île du Prince Édouard (Î. P. É.) et sur la côte est du Nouveau-Brunswick. Depuis lors, les spécialistes des prévisions d'ondes de tempête du CMM ont produit un système d'alerte en cas d'onde de tempête qui les avertit automatiquement lorsque les niveaux d'eau sur la côte (onde de tempête ajoutée à la marée) dépassent les seuils déjà établis pour chaque emplacement et susceptibles d'indiquer un risque d'inondation accompagnée de dommages.

Le système a été " mis à l'épreuve " lors d'un événement prévu pour le 7 novembre 2001, où l'on prédisait que les seuils de niveau 1 seraient dépassés à certains endroits dans le nord de l'Î. P. É. Les spécialistes du CMM ont pu déterminer quels secteurs seraient inondés et alerter le bureau provincial des mesures d'urgence à l'Î. P. É, qui a donné l'alerte aux résidants des secteurs visés et a surveillé l'évolution de la situation. Cette collaboration interorganismes a permis d'éviter certains dommages matériels.

Ce système de prédiction des marées de tempête sert également à l'examen des risques croissants d'inondation due à des ondes de tempête résultant du changement climatique. La présentation comporte certains résultats de cette étude de Thompson et al., 2001.

Références

2001 K. Thompson, H. Ritchie, N. Bernier, J. Bobanovic, S. Desjardins, P. Pellerin, W. Blanchard, B. Smith et G. Parkes: "Modélisation Storm Surges and Flooding Risk at Charlottetown", Annexe 2, Report on Climate Change Action Fund project CCAF A041 - Coastal Impacts of Climate Change and Sea-Level Rise on Prince Edward Island.

Processus survenant en hiver dans les estuaires
Dr. Brian Morse
Séance spéciale sur les mécanismes liés aux marées - Présentation no 3

On ne sait que très peu de choses sur les mécanismes liés aux glaces dans les estuaires. Pour combler cette lacune, à la suggestion de B. Burrell (ministère de l'Environnement et des Gouvernements locaux du Nouveau-Brunswick) en 1998, le Comité canadien sur les processus fluviaux-glaciaux et l'environnement (CCPFG) a formé un groupe d'étude mené par B. Morse. Cette étude révèle qu'il y a trois types connus d'estuaires d'hiver : 1) la baie James (marées de l'ordre de 50 cm); 2) les estuaires se jetant dans le fleuve Saint Laurent (amplitude de marée de 2,5 à 3,5 m); 3) les estuaires de la baie de Fundy (amplitude de marée de 11 à 14 m). Pour le type 1, le facteur le plus important à considérer est l'augmentation de l'étendue du panache d'eau douce dans des conditions de glace; sinon, les processus liés aux glaces sont les mêmes que ceux observés dans des rivières ordinaires. Pour le type 2, comme dans l'estuaire de la rivière Portneuf près de Forrestville, les processus glaciels sont complètement dominés par les marées : on observe la formation de fissures et de crêtes dans la glace, l'empilement de glaces, des inondations et des embâcles - tous liés aux marées. À son tour, la glace a des répercussions importantes sur les niveaux d'eau à marée basse, ce qui change radicalement la distribution verticale du courant et diminue l'échange d'eau durant un cycle de marée. La dynamique glace-eau-salinité-température est très complexe.

L'estuaire de la Petitcodiac se range parmi les estuaires de type 3 et a été documenté dans un rapport de 1998 déposé par R. Hudson et V. Partridge à l'atelier de 2001 du CCPFG tenu à Ottawa; ce rapport décrit également certains processus biologiques observés. Toutefois, l'étude qui fait le plus autorité en la matière, et de loin, est présentée par Desplanques et Bray (Revue canadienne de génie civil, 1986). Elle décrit 5 zones de glaces : a) en amont de la chaussée, il y a de la glace homogène ou feuilletée; b) de la chaussée jusqu'à Dover, la superficie du chenal est considérablement rétrécie (au moins de 50 %) par les glaçons qui forment des parois verticales soumises à des tensions de cisaillement; c) de Dover au cap Hopewell, il y a une formation de glaces et un transport de glaçons vers la zone 2; d) il y a une zone de production de glace dans le delta peu profond, où les concentrations de sel sont inférieures à 27,4 parties par billion - cette glace est transportée vers l'amont de l'estuaire par la marée montante; e) enfin, il y a un secteur côtier plus profond caractérisé par une très faible formation de glace.

Au cours de l'hiver, la glace dans la Petitcodiac empêche l'érosion de la boue et elle protège le biote logé dans la boue contre les rigueurs du gel. Durant la fonte, les glaçons peuvent transporter localement des volumes importants de boue (avec son contenu). La glace accumulée dans le chenal réduit considérablement l'hydrodynamique, en particulier dans la zone 2 (juste en aval de la chaussée); elle modifie les courants et peut accroître la teneur en sel.

On recommande l'élaboration d'un modèle thermodynamique hydraulique conceptuel et/ou empirique de formation des glaces (plus particulièrement dans la zone 2), qui illustrerait les conditions limites des modèles hydrodynamiques et des sédiments durant les mois d'hiver. Pour le printemps, il faudrait envisager l'usage d'un modèle du dégel et du pli d'entraînement des sédiments indiquant les sources et les puits afin de l'intégrer aux modèles des sédiments (sachant que le moment de la fonte en fonction de la crue printanière revêt une grande importance pour prédire s'il y aura de l'érosion des berges ou de l'érosion du lit). Enfin, il pourrait être important d'avoir un modèle thermodynamique simple afin de prendre en compte l'apport de l'émissaire d'eaux usées de Moncton (estimé en gros à 100 MW), les changements de température et de la salinité afin que les valeurs appropriées soient utilisées pour l'estimation de la dynamique de floculation (requises dans le modèle de transport des sédiments).

Bien entendu, des mesures de terrain sont nécessaires pour corroborer ces modèles. En plus de discuter avec des personnes qui connaissent bien le dossier (exploration des données), les techniques de terrain devraient être fondées sur l'enregistrement vidéo et des mesures des profils de conductivité-température-profondeur à l'aide de sondes et de profileurs de courant à effet Doppler (ADCP) et d'une poursuite vidéo.

Marées et niveaux d'eau dans la partie supérieure de la baie de Fundy
Charlie O'Reilly
Séance sur la collecte de données - Présentation no 1

La partie supérieure de la baie de Fundy donne lieu aux plus hautes marées du monde, mais ce phénomène est loin d'être aussi bien connu qu'on le croit généralement. Cette situation est due principalement au fait qu'il n'y a pas suffisamment de mesures prises à ces endroits étant donné les difficultés importantes que posent les grandes marées. La majeure partie des connaissances sur les marées provient d'ensembles de données d'observation sur un très court laps de temps, soit généralement de quelques jours à peut être quelques mois. Les seules jauges de marée permanentes dans les eaux canadiennes de la baie de Fundy sont installées à Saint John (Nouveau Brunswick). Les données provenant de ce site indiquent que les grandes marées augmentent encore d'amplitude, s'ajoutant à l'élévation du niveau de la mer. Concernant le fond de la baie, on constate une grande pénurie de données qui nous permettraient de jeter un peu de lumière sur le comportement à long terme de ce milieu. Dans cet exposé, je présente les éléments qui sont connus, ceux qui nous sont inconnus, et les mesures nécessaires pour combler ces lacunes. À présent, on ne peut qu'estimer les seuils de marée extrêmement haute avec un degré de précision d'un demi mètre, au mieux (et d'un mètre à certains endroits). Les questions secondaires telles que le phénomène du mascaret sont abordées brièvement, tout comme les dangers naturels comme l'inondation due à des ondes de tempête et l'élévation accélérée du niveau de la mer. On mettra l'accent tout particulièrement sur l'estuaire de la Petitcodiac, qui est un milieu extrêmement dynamique où les grandes marées ont une influence déterminante sur la rivière, et où la rivière a une grande incidence sur les marées.

Levés hydrographiques de l'estuaire et du chenal de la rivière
Jean-Claude Vautour
Séance sur la collecte de données - Présentation no 2

Une série de coupes transversales de la rivière Petitcodiac et de son estuaire a été définie depuis 1979, principalement par le ministère des Transports du Nouveau Brunswick (MTNB). En 2001, le ministère fédéral des Travaux publics et des Services gouvernementaux du Canada (TPSGC) a réalisé le même type de levés pour le compte des gouvernements fédéral et provincial. Il y a eu en tout 33 coupes transversales dessinées sur les 35 km du chenal de la rivière, à partir de la chaussée de la Petitcodiac et vers l'aval jusqu'à l'embouchure de la rivière. Les données relatives à ces 33 coupes n'ont été recueillies qu'en 1991 et en 2001. Tous les autres levés ne couvrent qu'un segment de la rivière, et dans la plupart des cas, la partie supérieure de l'estuaire.

L'estuaire de la Petitcodiac donne lieu à des fluctuations de marée très importantes, à des courants puissants et à de très fortes concentrations de sédiments dans la colonne d'eau. Dans la partie supérieure de l'estuaire, le fond boueux de la rivière s'assèche presque complètement, ce qui ne laisse que 2 à 3 heures par jour pour faire les levés. De plus, on doit utiliser une grue pour la mise à l'eau des bateaux servant aux levés, bien qu'il soit possible de les mettre à l'eau depuis la plage à marée haute au quai du village Belliveau lorsque l'on travaille dans la partie inférieure de l'estuaire. Tous ces facteurs combinés rendent la collecte de données complexe et même dangereuse. Compte tenu des fortes concentrations de sédiments dans la colonne d'eau, seuls les sondeurs acoustiques à 33 khz sont capables de nous donner une image relativement fidèle du fond de l'eau.

Toutes les données des coupes transversales ont été géoréférencées en fonction du réseau de référence géodésique de premier ordre des Levés géodésiques du Canada (CGVD28). Un réseau dense de monuments à Moncton, à Riverview et le long de la route 114 jusqu'à Hillsborough a été utilisé pour les levés par le MTNB et TPSGC. Avant 2001, l'élévation des marées était enregistrée par la détermination directe de l'élévation du bateau servant aux levés selon une méthode fondée sur l'azimut et le gisement. En 2001, un système de positionnement cinématique global en temps réel (GPS CTR) a été créé. On peut espérer obtenir une exactitude verticale d'environ 0,25 m (avant 2001) et de 0,20 m (en 2001) pour les sections transversales. La pénétration dans la couche de fond par le sondeur acoustique à basse fréquence est un facteur qui peut ajouter à l'incertitude entourant l'image véritable de la couche superficielle du fond.

Les données de référence horizontales sont fondées sur le Système de référence nord américain de 1983, qui fait partie du Système canadien de référence spatiale (SCRS NAD83). La projection cartographique utilisée est la projection de Mercator transverse, zone 20. Pour les levés, on s'est servi d'un grand nombre de monuments provinciaux situés de part et d'autre de la rivière. Le positionnement horizontal aux fins des travaux réalisés avant 1997 utilisait une méthode d'azimut gisement et de gisement-gisement, où le tracé du sondeur acoustique a été marqué et réduit manuellement. Ces méthodes peuvent donner une exactitude horizontale d'environ 1 à 2 m. Pour les levés de 1997 et des années suivantes, le positionnement complet a été fait au moyen du GPS CTR. Les données ont été enregistrées électroniquement et on a utilisé HYPACK pour leur post traitement. L'exactitude horizontale obtenue serait de l'ordre de 0,05 m. Les utilisateurs des données de coupes transversales doivent aussi savoir que les lignes de levé étaient généralement en zigzag à moins de 2 m de la ligne théorique et qu'il pourrait y avoir eu un désenlignement du navire allant jusqu'à 5 m à certains moments.

La collecte de données sur la rivière Petitcodiac et son estuaire est difficile en raison des nombreuses contraintes environnementales où l'instrumentation et le personnel sont poussés jusqu'à leurs limites. Une planification judicieuse et un personnel chevronné sont essentiels si l'on veut réussir les levés sur l'impétueuse rivière Petitcodiac.

Cartographie par télédétection haute résolution des milieux estuariens
Tim Webster
Séance sur la collecte des données - Présentation no 3

Le présent exposé a pour but de présenter la technologie de télédétection pouvant s'appliquer à la cartographie à haute résolution en milieu estuarien. Des systèmes aéroportés et satellitaires sont présentés, comportant des capteurs actifs comme le radar à antenne synthétique (SAR) embarqué, le RADARSAT-1 et l'altimètre à laser de LIDAR, ainsi que des capteurs passifs comme le Landsat et l'imageur spectrographique compact aéroporté (CASI). On y décrit également l'imagerie satellite à haute résolution d'Ikonos et de QuickBird pour les environnements estuariens. Certains secteurs dans lesquels la télédétection pourrait être utile à la cartographie pour le projet de modélisation hydrodynamique de la Petitcodiac sont mentionnés, notamment l'emplacement du chenal, la couverture terrestre (marais salés, vasières, etc.), la détection des variations chronologiques (c.-à d. la migration du chenal) et la topographie détaillée acquise à marée basse. On présente des exemples d'ensembles de données à partir des archives d'imagerie du groupe, dont beaucoup mettent l'accent sur le côté néo écossais de la baie de Fundy, dans les estuaires du bassin Minas et du bassin de l'Annapolis, qui ont des caractéristiques similaires à celles de la Petitcodiac, p. ex., vasières et marais salés. Les images acquises à différents stades du cycle de marée sont utilisées en vue de démontrer la façon dont les limites terre eau peuvent être compilées pour extraire l'information sur la géomorphologie intertidale de l'estuaire. Les données acquises à marée basse au moyen du système LIDAR offrent le meilleur potentiel de production de renseignements détaillés sur la topographie de l'estuaire. Il existe un large éventail de prix et de services pour ce genre de levés dans l'industrie. Grâce à ses récentes études de la côte au moyen de ces technologies, le groupe de recherche a acquis des connaissances importantes concernant des enjeux tels que les spécifications contractuelles relatives aux données et les conditions environnementales favorables pour la collecte de données. Au terme de l'exposé, une liste des fournisseurs de données et des prix de différentes technologies est présentée. Les prix varient en fonction du volume et de la disponibilité des données dans les archives.

Acquisition de données océanographiques physiques représentatives des milieux fluviaux ou estuariens boueux
Gary Bugden
Séance sur la collecte de données - Présentation no 4

Parmi les exemples d'études de la côte entreprises par le groupe de l'océanologie côtière de l'Institut océanographique de Bedford (IOB), citons l'examen des impacts de l'aquaculture (nord de l'Île du Prince Édouard), la détermination du devenir des contaminants industriels (Sydney, Nouvelle Écosse) et des études générales en appui à la gestion intégrée de la côte (lac Bras d'Or, Nouvelle Écosse). Il y a trois types d'instruments utilisés généralement dans ces études pour la prise de mesures physiques de l'océanographie, notamment les courants et la distribution verticale et horizontale des propriétés de l'eau. Ce sont les profileurs de courant à effet Doppler (ADCP), les sondes de mesure de la conductivité, de la température et de la profondeur (CTP) et un nouveau système à circulation continue, qui pompe l'eau à travers une série de capteurs embarqués à bord d'un petit bateau. La combinaison de faibles profondeurs, de courants puissants, de charges élevées de particules en suspension et d'une grande mobilité des sédiments de fond dans le réseau de la Petitcodiac présente des difficultés particulières, qui ne se retrouvent nulle part ailleurs. Les méthodes utilisées pour le déploiement des instruments dans les autres régions ne peuvent s'appliquer ici, et dans certains cas, il n'est pas évident de savoir si les instruments proprement dits fonctionneront correctement. La technologie des profileurs de courant à effet Doppler (ADCP) est particulièrement appropriée à l'étude des questions posées; elle permet notamment d'obtenir des données sur les courants, la profondeur et certaines indications sur la charge des particules en suspension. Certaines propositions de programme d'échantillonnage physique océanographique sont discutées et l'on souligne l'importance d'aller sur le terrain et de prendre des mesures plutôt que de rester assis à échafauder des hypothèses farfelues.

Expériences récentes en modélisation du transport de sédiments cohésifs
Dr. Doug Scott
Séance sur les études de cas - Autres expériences sur la modélisation d'estuaires - Présentation no 1

Au cours du présent exposé, on a présenté un sommaire des expériences récentes effectuées dans la simulation numérique de l'érosion et du dépôt des sédiments cohésifs tant dans les milieux riverains qu'estuariens, mettant l'accent sur les principaux problèmes et observations applicables à l'estuaire de la Petitcodiac. Deux des exemples présentés touchaient la modélisation numérique des changements morphologiques et du devenir des sédiments contaminés dans les rivières Fox et Sheboygan du Wisconsin.

De plus, on a présenté un exemple d'un projet de conception construction accélérée d'un chenal de navigation dans un estuaire boueux situé en Malaisie. La simulation exacte du devenir des sédiments estuariens est un aspect critique du projet, et l'on a fait un survol d'une approche de modélisation intégrée et de mesure sur le terrain.

La variabilité potentielle de la définition des propriétés des sédiments cohésifs dans les rivières et les estuaires a été abordée. On recommande la tenue d'une série de tests sur les sédiments pour la Petitcodiac, qui comporterait diverses techniques de laboratoire et d'analyse. La définition exacte des conditions limites des sédiments représente aussi un aspect critique de la procédure de modélisation et peut conduire à un degré élevé d'incertitude dans les résultats de la modélisation.

On a souligné l'importance de créer une équipe intégrée possédant une expertise dans la modélisation numérique, les mesures sur le terrain et la géomorphologie des rivières/estuaires, ainsi que l'importance de mener des travaux de modélisation et des campagnes sur le terrain de façon répétée, à des niveaux croissants de complexité. La modélisation de la Petitcodiac devrait être amorcée à un faible niveau de complexité, qui irait en augmentant à mesure que l'on acquiert des connaissances sur l'estuaire.

On a fait remarquer que la modélisation numérique n'éliminera pas l'incertitude liée aux modifications à la chaussée de la Petitcodiac et que les risques et impacts connexes devraient faire l'objet d'une gestion appropriée. Cela signifie qu'il peut être nécessaire d'apporter des changements contrôlés à l'estuaire de la Petitcodiac et d'assurer une surveillance, une modélisation et une évaluation continues.

Expérience récente dans la modélisation du débit des rivières et de l'érosion - Applicabilité à la rivière Petitcodiac
Dr. Michael Davies
Séance sur les études de cas - Autres expériences en modélisation d'estuaires - Présentation no 2

(Aucun résumé disponible)

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