Boundary Shear Stress Across a River Section from in-situ Doppler Profiler Measurements

Source: ICHE Conference Archive - https://mdi-de.baw.de/icheArchiv

Morphodynamics of the exit of a cutoff meander: experimental findings from field and laboratory studies

The morphological evolution of the entrances and exits of abandoned river channels governs their hydrological connectivity. The study focusses on flow and sediment dynamics in the exit of a cut-off meander where the downstream entrance is still connected to the main channel, but the upstream entrance is closed. Two similar field and laboratory cases were investigated using innovative velocimetry techniques (acoustic Doppler profiling, image analysis). Laboratory experiments were conducted with a mobile-bed physical model of the Morava river (Slovakia). Field measurements were performed in the exit of the Port-Galland cut-off meander, Ain river (France). Both cases yielded consistent and complementary results from which a generic scheme for flow patterns and morphological evolution was derived. A simple analogy with flows in rectangular side cavities was used to explain the recirculating flow patterns which developed in the exit. A decelerating inflow deposits bedload in the downstream part of the cavity, while the upstream part is eroded by an accelerating outflow, leading to the retreat of the upstream bank. In the field, strong secondary currents were observed, especially in the inflow, which may enhance the scouring of the downstream corner of the cavity. Also, fine sediment deposits constituted a silt layer in a transitional zone, located between the mouth of the abandoned channel and the oxbow-lake within the cut-off meander. Attempts at morphological prediction should consider not only the flow and sediment conditions in the cavity, but also the dynamics of the main channel

A multidating approach applied to historical slackwater flood deposits of the Gardon River, SE France

A multidating approach was carried out on slackwater flood deposits, preserved in valley side rock cave and terrace, of the Gardon River in Languedoc, southeast France. Lead-210, caesium-137, and geochemical analysis of mining-contaminated slackwater flood sediments have been used to reconstruct the history of these flood deposits. These age controls were combined with the continuous record of Gardon flow since 1890, and the combined records were then used to assign ages to slackwater deposits. The stratigraphic records of terrace GE and cave GG were excellent examples to illustrate the effects of erosion/preservation in a context of a progressively self-censoring, vertically accreting sequence. The sedimentary flood record of the terrace GE located at 10 m above the channel bed is complete for years post-1958 but incomplete before. During the 78-year period 1880-1958, 25 floods of a sufficient magnitude (> 1450 m3/s) have covered the terrace. Since 1958, however, the frequency of inundation of the deposits has been lower:only 5 or 6 floods in 52 years have been large enough to exceed the necessary threshold discharge (> 1700 m3/s). The progressive increase of threshold discharge and the reduced frequency of inundation at the terrace could allow stabilisation of the vegetation cover and improved protection against erosion from subsequent large magnitude flood events. The sedimentary flood record seems complete for cave GG located at 15 m above the channel bed. Here, the low frequency of events would have enabled a high degree of stabilisation of the sedimentary flood record, rendering the deposits less susceptible to erosion. Radiocarbon dating are used in this study and compared to the other dating techniques.Eighty percent of radiocarbon dates on charcoals were considerably older than those obtained by the other techniques in the terrace. On the other hand, radiocarbon dating on seeds provided better results. This discrepancy between radiocarbon dates on charcoal and seeds is explained by the nature of the dated material (permanent wood vs. annual production and resistance to degradation process). Finally, we showed in this study that although the most common dating technique used in paleoflood hydrology is radiocarbon dating, usually on charcoal preserved within slackwater flood sediments, this method did not permitus to define a coherent age model. Only the combined use of lead-210, caesium-137, and geochemical analysis of mining-contaminated sediments with the instrumental flood record can be applied to discriminate and date the recent slackwater deposits of the terrace GE and cave GG.Une approche par datations multiples a été menée sur les dépôts de sédiments de crue retrouvés dans les gorges du Gardon (Languedoc). Le plomb-210, le césium-137 et l’analyse géochimique des sédiments contaminés par les mines ont été utilisés pour reconstruire l’histoire des dépôts de crue. Cette approche a été combinée avec l’historique des crues du Gardon depuis 1890 pour affiner l’approche géochronologique. Au niveau de la cavité GG et de la terrasse GE les analyses ont permis d’illustrer les mécanismes d’érosion-redéposition pouvant perturber les séquences de sédiments. Les enregistrements des dépôts de sédiments de crue sont complets sur la terrasse GE située à 10 m au-dessus du lit mineur à partir de 1958, et incomplets auparavant. Sur la période 1880-1958, 25 crues ont eu un débit suffisant (>1450 m3/s) pour recouvrir la terrasse, alors que l’on recense seulement 5 à 6 crues depuis 1958 (pour un débit de submersion supérieur à 1700 m3/s). L’augmentation progressive du débit de submersion et la fréquence moindre d’inondation de la terrasse ont pu permettre sur la période récente la stabilisation de la couche de surface par la végétation et limiter l’érosion lors de crues importantes. Les enregistrements semblent complets dans la cavité GG située à 15 m au-dessus du lit mineur. La fréquence moindre de submersion à ce niveau plus élevé peut expliquer une meilleure stabilisation des dépôts de crue, rendus moins vulnérables à l’érosion. La datation au radiocarbone a été testée même si elle ne permet pas de dater avec précision les dépôts de crue des derniers siècles. Sur la terrasse GE, 80% des dates au carbone 14 sur charbon de bois sont beaucoup trop vieilles par rapport aux autres techniques de datation, ce qui peut s’expliquer par une remobilisation/déstockage de charbons de bois anciens. Les datations radiocarbone sur graines donnent de meilleurs résultats, car issues d’une production annuelle, plus facilement décomposable et moins sujette à des dépôts intermédiaires. Au final, il apparaît que la technique de datation par radiocarbone sur des charbons de bois retrouvés dans les séquences sédimentaires n’est pas fiable, alors qu’elle est la plus pratiquée en paléo-hydrologie. L’utilisation combinée du plomb-210, du césium-137, de l’analyse géochimique des sédiments et des informations sur les crues historiques a permis de discriminer et de dater les différents dépôts de crue de ce dernier siècle dans la cavité GG et la terrasse GE

Restauration morpho-dynamique et redynamisation de la section court-circuitée du Rhin en aval du barrage de Kembs (projet INTERREG / EDF)

National audienceThe Upper Rhine River has been heavily impacted by channelization for flood protection and navigation, and then by damming for hydropower generation. In normal non flooding conditions, most of the flows are diverted in a canalized section whereas the regulated “old Rhine” bypassed reach runs a minimum flow. Between Huningue and Neuf-Brisach, engineering works induced simplification and stabilization of the channel pattern from a formerly braiding sector to a single incised channel, hydrological modifications, bottom armouring due to bedload decrease, and thus ecological alterations. Two complementary and interdisciplinary projects have been initiated to restore alluvial morphodynamics: i) the international “INTERREG IV - Redynamisation of the old Rhine” project (2009-2012) coordinated by the Alsace region, France; ii) the left bank “controlled erosion” project launched by Electricité de France (EDF) within Kembs hydroelectric station relicensing process since 2003-2004. The purpose of these projects is to evaluate the feasibility of an important hydro-morphological and ecological restoration plan on a 45 km long reach, through both field testing of bank erosion techniques at favourable locations, and artificial sediments input from right bank excavations. This will help define possible long term prospective scenarios, in order to restore sustainable sediment transport, morphodynamics variability and associated ecological functions. The study will involve historical analysis, hydro-morphological / hydraulic physical and numerical modelling, physical and ecological monitoring, and sociological aspectsLe Rhin alsacien-allemand a enregistré de profondes modifications morphologiques et hydrologiques à la suite de sa correction et de sa régularisation pour la protection contre les crues et la navigation, puis après la construction de barrages hydro-électriques. Les aménagements réalisés entre Huningue et Neuf-Brisach ont engendré une simplification et une stabilisation du style fluvial. Un fleuve en tresses a cédé la place à un chenal unique incisé. Le fond de chenal est devenu pavé à cause d’une diminution des apports de charge de fond et des altérations écologiques ont été observées (simplification des habitats aquatiques et riverains). Deux projets complémentaires et interdisciplinaires ont été engagés afin de restaurer une dynamique des formes alluviales : i) le projet international INTERREG IV – Redynamisation du Vieux Rhin (2009-2012) sous l’impulsion de la région Alsace ; ii) le projet d’érosion maitrisée des berges de la rive gauche conduit par Electricité de France (EDF) dans le cadre du renouvellement de la concession de l’aménagement de Kembs. L’objectif des deux projets est de définir un plan de restauration hydro-morphologique et écologique conduisant à la redynamisation d’un tronçon de 45 km. L’étude repose sur une analyse historique, l’exploitation de modèles à la fois physiques et numériques, et les suivis morphologiques in situ d’une recharge artificielle en sédiments et d’érosions de berge contrôlées. Ces études de faisabilité sont complétées par des analyses écologique et sociologique pour apprécier l’impact socio-environnemental de ces projets

28. -Simulation numérique des crues rapides

Dans le cas de crue rapide où les logiciels classiques de simulation hydraulique sont peu performants, il est intéressant d'utiliser des codes basés sur des schémas explicites habituellement plus coûteux en temps de calcul. Le CEMAGREF a développé de tels codes (1-D ou 2-D) qui permettent de traiter aisément le passage d'un régime torrentiel à un régime fluvial, la propagation d'un front, le franchissement de remblais,... L'adjonction d'un module de simulation du transport solide au code monodimensionnel permet de localiser les zones de dépôt et d'érosion et d'estimer une éventuelle surélévation de la ligne d'eau ; les 2 exemples de la rupture du barrage de Lawn Lake et de l'inondation de la vallée de la Guisane en sont une illustration.Paquier André. 28. -Simulation numérique des crues rapides. In: Crues et inondations. 23emes journées de l'hydraulique. Congrès de la Société Hydrotechnique de France. Nîmes, 14-15-16 septembre 1994. Tome 1, 1994

Rubar 3 - RubarBE. Notice d'emploi

[Departement_IRSTEA]Eaux [TR1_IRSTEA]ARCEAUThe user manual indicates the basis and the use of the software Rubar 3 that solves 1-D shallow water equations. In RubarBE software, these equations are coupled with a sediment transport equation, which can be associated with a change in the topography and the sediment layers of the river bed.La notice détaille les bases et l'utilisation du logiciel Rubar 3 qui résout les équations de Saint Venant 1D sur un ensemble de biefs ramifié. Dans le logiciel RubarBE ce modèle est couplé à une équation de transport de sédiments qui peut induire une évolution des fonds

Modélisation et simulation de la propagation de l'onde de rupture de barrage

More often 1-D shallow water equations are used for modelling the propagation od dam-break wave. These equations written under conservative form are solved by a Godunov type explicit numerical scheme. Second order in time and space comes from an estimate at intermediary time of the left and right values at interface (where fluxes are computed through a Roe linearization of Riemann problems) obtained by computing a constant slope in every cell for the variables water depth and discharge. The terms of bottom friction is computed by implicit way in time. A lot of tests including strongly varying conditions show the robustness of the scheme and its precision even with large space steps. Implementation of varied boundary conditions completes the scheme and makes possible the use of this method for simulating the propagation of dam-break wave as well as every problem modelled by 1-D shallow water equations. 2-D shallow water equations are solved by a finite volume scheme very close to the previous one. This scheme computes fluxes through edges by approximately solving 1-D Riemann problems. Some tests show the efficiency of the method, particularly, for flooding dry areas. The possibilities of modelling flows are completed by including hydraulic structures defined by a relationship between discharge and the upstream and down stream levels. By adding an equation for sediment transport, it is also possible to simulate a mobile bed.Les équations les plus souvent utilisées pour la modélisation de la propagation d'une onde créée par la rupture d'un barrage sont les équations de Saint-Venant monodimensionnelles. Ces équations écrites sous forme conservative sont résolues au moyen d'un schéma numérique explicite de type Godunov. Le second ordre en temps et en espace provient d'une estimation à un temps intermédiaire des valeurs à gauche et à droite de chaque interface (où les flux sont calculés par une linéarisation de Roe des problèmes de Riemann) à partir d'une évaluation d'une pente constante par maille pour les variables hauteur et débit. Les termes de pente du fond et de variation de largeur présents au second membre sont traités comme une différence de pression tandis que le terme de frottements au fond est calculé de manière implicite en temps. De nombreux tests y compris avec des conditions fortement variables en temps et en espace montrent la robustesse du schéma, sa précision et sa fiabilité même avec des pas d'espace importants. La prise en compte de conditions aux limites variées complète le schéma et permet un large emploi de cette méthode pour la simulation de la propagation des ondes de rupture de barrage mais aussi pour tout problème modélisable par les équations de Saint-Venant monodimensionnelles. Les équations de Saint-Venant bidimensionnelles sont résolues par un schéma numérique en volumes finis très proche du précédent qui calcule les flux à travers les arêtes par une résolution approchée de problèmes de Riemann monodimensionnels. Des tests démontrent l'efficacité de la méthode, en particulier, pour les problèmes de mise en eau et de découvrement. L'intégration d'ouvrages d'hydrauliques définis par une loi donnant le débit en fonction des cotes amont et val vient compléter les possibilités de modélisation des écoulements. L'addition d'une équation de transport de sédiments permet de simuler un fond mobile

Le défi pour passer des écoulements au transport de sédiment et à l'évolution du lit dans un modèle couplé 1D/2D

International audienceSediment transport is present in the river flows at all stages and may cause a change of the shape of the bed with consequences on the flowing conditions. The finer part of the sediments is carried by the flow in the whole water column while the coarser one stays close to the bed. Except strong variations of hydraulic parameters, the finer sediments follow the flow and are seldom deposited. In a river in which the flow can be considered as 1-D, the sediment discharge is usually limited by the capacity of the flow to carry the sediments. The simpler way to estimate this capacity uses an empirical equation that considers the median diameter (D50) although the behaviour of a mixture of sediments is known to be different. The erosion or deposition terms are estimated as the difference between the transport capacity and the actual sediment discharge. Then, the mass of sediments is distributed across the width of the bed generally taking into account the local shear stress. The model should represent these processes of mixing, fining or coarsening but also the features of the various sediment layers. In a 2-D representation of the flow and the bed, the question of distribution of the erosion and deposition is no longer a problem if the processes can be reduced to what occurs in a vertical column, The behaviour of the sediments can be described in the same way as in a 1-D model focusing on the median diameter and considering additional modelling to represent the evolution of the diameter and of such key parameters that are the critical shear stress for erosion or deposition. Then, if the sediment modelling in the 1-D and 2-D models is unified (as it is the presented software RubarBE and Rubar20TS), the coupling of such models is mathematically simple. The water flux will be accompanied by a sediment flux defined using the concentration but also the sediment diameter and its standard deviation. However, similarly to the coupling of hydrodynamic models, if getting boundary parameters from the 2-D side is easy, it is not so simple for the 1-D side. For instance, the concentration and diameter of the sediments near the bank of a river are often quite lower from the ones in the centre of the main channel

Modélisation des écoulements en rivière en crue : pour une utilisation adaptée des équations de Saint Venant

This synthesis document to obtain a habilitation to lead researches includes a synthesis of scientific activities, a curriculum vitae, several lists of training students, of lectures, of projects and of publications as well as a copy of 10 papers. In the part 1 "synthesis of scientific activities", after an introduction that presents the de Saint Venant equations, are successively described: 1) the models used for, on one hand, simulating the propagation of a dam break wave and, on the other hand, obtaining the discharge hydrograph at dam site during the failure of an embankment dam; 2) the 2-D modelling used for the case of flooding in the flood plain or in urbanised environment; 3) the methods proposed for the case of several beds, either channel networks, or main bed and flood plain after flooding; the coupling of 1-D and 2-D models is thus specifically detailed; 4) the transport of sediments in rivers and its influence on water levels both by modifying friction and by change in the bed geometry. The 2-D modelling of this change is also mentioned. Conclusions recall the topics that should be developed during next years.Ce document de synthèse en vue d'obtenir une habilitation à diriger des recherches comprend une synthèse des activités scientifiques, un curriculum vitae, des listes des activités d'encadrement d'étudiants, des cours, des projets et des publications ainsi que la copie d'une sélection de 10 publications. Dans la partie 1 "synthèse des activités scientifiques", après une introduction présentant les équations de Saint Venant, sont abordés successivement : 1) les modèles utilisés pour, d'une part, simuler la propagation d'une onde de rupture et, d'autre part, obtenir l'hydrogramme au droit du barrage lors de la rupture d'un barrage en remblai ; 2) la modélisation bidimensionnelle utilisée pour le cas des inondations en lit majeur et en milieu urbanisé ; 3) les méthodes proposées pour le cas de plusieurs lits, soit réseau ramifié, soit lit mineur et lit après débordement ; le couplage des modèles 1D et 2D est ainsi spécialement détaillé ; 4) le transport de sédiments en rivière et son influence sur la ligne d'eau à la fois par la modification du frottement et par la modification de la géométrie du lit. La modélisation bidimensionnelle de cette dernière évolution est aussi abordée. Les conclusions portent sur les points qui devraient être développés dans les prochaines années

Une méthode pour coupler des modèles 1D et 2D utilisés pour simuler des inondations et son application au delta intérieur du Niger

International audienceFor calculating flood hazard, 2-D models are more and more used replacing 1-D models because they permit to obtain a detailed view of the flooding patterns. However, a 2-D calculation on large areas remains time consuming. Thus, one alternative consists in coupling 1-D and 2-D models. Often, the 1-D model is dedicated to the areas such as the river main channel in which the flow velocity direction can be fixed to a hydraulic axis all over the flood duration; conversely, the 2-D model is limited to the areas such as flood plains in which the flow pattern evolves with time. Another usual case for coupled model is the one of urban floods in which the drainage network is represented using a 1-D model and the overflow detailed using a 2-D model. The coupled model was built from the software Rubar 3 that solves 1-D de Saint Venant equations using an explicit second order Godunov type numerical scheme and the software Rubar 20 that solves 2-D shallow water equations using a similar explicit second order Godunov type numerical scheme. Both models permit the use of hydraulic structures equations locally if flow becomes complex. Because of these latter similarities, the exchange terms are the fluxes (of mass and of momentum) through the boundaries between the areas dedicated to each model. Thus, the calculation of these fluxes is performed at intermediate time taking into account the variables of both models. The remaining difficulty stands in defining a calculation method of these fluxes that can represent the physical processes at the boundary. The validation of the coupled model can be performed by comparison with 2-D model, which is easy and has the advantage to evaluate only the replacement of 2-D by 1-D and coupling; to go further, comparisons with experimental results remind the need to introduce a right (i.e. physically meaningful) representation of the coupling term. Another key point is the capacity of the model to adapt to very complex cases. One example is detailed in this paper: the annual flood in the inner Niger delta