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(DS0101)
Edition 2016


SegSed


Tri granulométrique en Transport de Sédiments

Tri granulométrique en Transport de Sédiments
Le transport de sédiments par charriage, le flux de sédiments grossiers au voisinage du lit est source de dommages importants (inondations en montagne), a des implications importantes sur les écosystèmes aquatiques et sur l’ensemble de la zone critique. La ségrégation ou tri granulométrique est sans doute le processus le plus commun des cours d’eau et en même temps le plus mal connu malgré son importance dans le charriage et la morphologie fluviale. Il s'agit d’un verrou scientifique majeur.

Une étude multi-échelle et multi-disciplinaire du tri granulométrique pour améliorer la modélisation du transport de sédiments.
Les objectifs particuliers sont de (i) mieux comprendre expérimentalement les processus physiques du tri granulométrique, notamment les interactions interparticulaires et (ii) de développer une suite de modèles à diverses échelles validés sur les données expérimentales (iii) d’intégrer les modèles théoriques validés de ségrégation dans des modèles utilisés en ingénierie pour in fine améliorer la capacité prédictive de ces outils

Approches
Le projet est organisé en 4 lots (WP) multidisciplinaires (expérimental, numérique, analyse d’image et gestion / analyse multi-échelle) opérant sur différentes échelles. WP1 est consacré à des expérimentations originales depuis la complexité du terrain jusqu’à des écoulements 2D gravitaires en granulaire sec en passant par des expériences de charriage 3D avec du matériau naturel, et quasi-2D avec des billes de verre sphériques.
WP2 propose une suite de modèles depuis des modèles eulérien-lagrangien à l’échelle de la particule jusqu’à des modèles utiles pour l’ingénierie. Ces modèles validés sur les expérimentations permettront en retour une meilleure compréhension des phénomènes de ségrégation.
WP3 est entièrement dévolu à l’analyse d’image notamment sur la segmentation et le suivi d’objet. Des algorithmes de suivi d’objet ainsi que des vérités terrain correspondantes seront mis à la disposition de la communauté

Résultats

- Forte saisonnalité des flux solides à Draix et influence des Matières en suspension sur la mesure du charriage.
- Malgré une complexité accrue, les résultats de pente d’équilibre de mélanges bimodaux en fonction du ratio de taille et de la proportion de fines sont similaires avec billes de verre ou matériaux naturels
- Les écoulements granulaires supportés présentant des instabilités spatiales conduisent à des processus de ségrégation inhabituels et modifient fortement la rhéologie des écoulements.
-Le taux de cisaillement est effectivement un important paramètre de contrôle pour la ségrégation verticale.
- Un nouvel algorithme de tracking à base de filtrage particulaire et deux séquences de vérité terrain ont été publiés

Perspectives

L’ensemble des recrutements doctorants et post-doctorant a été conduit. De bonnes perspectives sont donc attendues pour chaque tache élémentaire. Comme souhaité par le projet, des actions multi-échelles originales devraient voir le jour. Des discussions sont ainsi en cours concernant (i) la modélisation par le code diphasique eulérien de tronçons de torrents de l’observatoire de Draix (ii) le raffinement de modèles de mélanges à l’aide d’expérimentations numériques lagrangiennes et (iii) la comparaison d’expérimentations d’écoulements granulaires sur fond érodable secs avec des écoulements de charriage

Productions scientifiques et brevets

Lafaye de Micheaux H, Ducottet C, Frey P. 2018. Multi-model particle filter-based tracking with switching dynamical state to study bedload transport. Machine Vision and Applications: https://doi.org/10.1007/s00138-018-0925-z.

Maurin R, Chauchat J, Frey P. 2018. Revisiting slope influence in turbulent bedload transport: Consequences for vertical flow structure and transport rate scaling. Journal of Fluid Mechanics 839: 135-156.

Dudill A, Frey P, Church M. 2017. Infiltration of fine sediment into a coarse mobile bed: A phenomenological study. Earth Surface Processes and Landforms 42(8): 1171-1185.

Liébault F., Klotz S., Jantzi H., Ravanat X., 2017. Monitoring du charriage à Draix avec une trappe à fente. Collection EDYTEM, 19: 221-226.

Partenaires

grenoble INP / 3SR Institut polytechnique de Grenoble,Laboratoire Sols, Solides, Structures, Risques,

IPR Institut de Physique de Rennes, Université Rennes 1

Irstea - Etna Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture - UR erosion torrentielle, neige et avalanches

LEGI-CNRS Laboratoire ecoulements geophysiques et indsutriels

NRL-SSC Marine Geosciences Division, Naval Research Laboratory

SFU Simon Fraser University - Dept of Geography

UBC University of British Columbia - Dept of Geography

UJM/LaHC Laboratoire Hubert Curien

UM School of Mathematics, University of Manchester

Aide de l'ANR 569 326 euros
Début et durée du projet scientifique décembre 2016 - 48 mois

Résumé de soumission

De nombreux écoulements naturels se présentent sous la forme d’un mélange de particules solides dans un fluide. Tel est le cas du transport de sédiments par charriage, le flux de sédiments grossiers entraînés au voisinage du lit. Ces écoulements sont en effet sources de dommages importants (par exemple inondations en montagne) et ont des implications importantes sur le plan écologique (par exemple reproduction des salmonidés) et sur l’ensemble de la zone critique. Malgré un siècle de recherche moderne, la compréhension réelle du transport solide au-delà de la simple description reste une question ouverte.
La ségrégation ou tri granulométrique est sans doute le processus le plus commun des cours d’eau et en même temps le plus mal connu malgré son importance dans la morphologie fluviale. Il d’un verrou scientifique majeur.
Ce projet a comme objectif une étude multi-échelle et multi-disciplinaire du tri granulométrique pour améliorer la modélisation du transport de sédiments.
Les objectifs particuliers sont de (i) mieux comprendre expérimentalement les processus physiques du tri granulométrique, notamment les interactions interparticulaires et (ii) de développer une suite de modèles à diverses échelles validés sur les données expérimentales (iii) d’intégrer les modèles théoriques validés de ségrégation dans des modèles utilisés en ingénierie pour in fine améliorer la capacité prédictive de ces outils.
Le projet est organisé en 4 lots (WP) multidisciplinaires (expérimental, numérique, analyse d’image et gestion et analyse multi-échelle) opérant sur différentes échelles (Fig. 3). WP1 est consacré à des expérimentations originales depuis la complexité du terrain jusqu’à des écoulements 2D gravitaires en granulaire sec en passant par des expériences de charriage 3D avec du matériau naturel, et quasi-2D avec des billes de verre sphériques. Les livrables sont des jeux de données à haute résolution spatiale et temporelle. WP2 propose une suite de modèles depuis des modèles eulérien-lagrangien à l’échelle de la particule jusqu’à des modèles utiles pour l’ingénierie de type couche mince. Ces modèles validés sur les expérimentations permettront en retour une meilleure compréhension des phénomènes de ségrégation.
WP3 est entièrement dévolu à l’analyse d’image notamment sur la segmentation et le suivi d’objet. Des algorithmes de suivi en libre d’objet ainsi que des vérités terrain correspondantes seront mis à la disposition de la communauté. WP0 est consacré à la gestion du projet et à favoriser les actions multi-échelles.
Une part importante du budget est consacrée à deux contrats de thèse de trois ans et à deux post-doctorats de 1 an. Le consortium présente toutes les compétences nécessaires à l’étude du tri granulométrique à différentes échelles: Géographie physique/géomorphologie fluviale (Irstea, UBC, SFU), hydraulique et génie côtier (Irstea, 3SR,NRL), physique granulaire (IPR, Irstea), mécanique des fluides (Legi, Irstea, NRL) et des sols (3SR), analyse d’image (laHC) et mathématiques appliquées (UM). La coordination par Irstea, un institut de recherche ayant une grande expérience de recherches multidisciplinaires finalisées et de transferts aux utilisateurs finaux publics et privés, garantit que ce projet ambitieux ne sera pas la juxtaposition de recherches isolées.

 

Programme ANR : (DS0101) 2016

Référence projet : ANR-16-CE01-0005

Coordinateur du projet :
Monsieur Philippe Frey (Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture - UR erosion torrentielle, neige et avalanches)

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.