Etude de la dynamique hydro-morpho-sédimentaire sur les plages de galets

Abstract

Gravel beaches are very common coastal environments on the English Channel coasts. They offer an effective protection to the coastal structures against which they rest by absorbing a significant part of the wave energy and are therefore particularly dynamic environments. However, although the dynamics of sandy beaches are well documented, the dynamics of gravel beaches remain relatively poorly understood. The current scientific consensus describes the complex dynamics of gravel beaches as the result of feedback interactions between morphodynamics, hydrodynamics and sediment dynamics. Spatial and temporal variabilities in grain size are expected to play an important role in these interactions. Thus, the lack of understanding of pebble beach dynamics is related to the difficulty of measuring these three aspects simultaneously.The present manuscript reports the work done with the aim to investigate the hydro-morpho-sedimentary dynamics of gravel beaches at multiple timescales, by coupling data from multiple platforms: Unmanned Aerial Vehicle (UAV) and Video Monitoring System (VMS). For this purpose, two innovative methods based on deep learning techniques were developed (1) to map the size, shape and orientation of gravel on the surface of a beach using UAV-derived ortho-imagery, and (2) to produce a dataset of daily digital elevation models (DEM) of a beach morphology using VMS images. For this purpose, two pebble beach sites have been instrumented and monitored since 2018 in Normandy, France; Etretat and Hautot-sur-Mer. Both beaches are located on the French coasts of the English Channel, they are close to each other (64 km), and thus face tidal and wave conditions that are considered similar. However, they differ in their spatial organization and granulometric characteristics: Etretat is a pure gravel beach located in the hollow of a bay, and Hautot-sur-Mer is a composite sand and gravel beach located on a semi-open coast.The data collected allowed the analysis of the morphological dynamics of the beaches in response to marine forcing from daily to biannual scales. Different mechanisms of shoreline movement were highlighted (e.g., translation, rotation, rollover and breathing), some of which were linked to physical processes. The results on grain size variability also highlighted the presence of spatial sedimentary patterns related to elevation such as a systematic cross-shore gradient, and to the presence of groin structures such as the periodic repetition of size-sorted clast assemblages. Finally, the temporal evolution of permeability during storm events was analyzed with a calibration strategy using the XBeach-G numerical model that was fed with measured morphology and gravel size data.Les plages de galets sont des environnements côtiers très rependus sur les côtes de la Manche. Elles offrent une protection efficace aux structures côtières contre lesquelles elles reposent en absorbant une part significative de l’énergie des vagues, et sont par conséquent des environnements particulièrement dynamiques. Cependant, bien que la dynamique des plages de sable soit aujourd’hui bien documentée et comprise, celle des plages de galets reste à ce jour relativement mécomprise. La perspective scientifique faisant actuellement consensus décrit la dynamique complexe des plages de galets comme étant le résultat d’interactions rétroactives entre la morphodynamique, l’hydrodynamique et la dynamique sédimentaire. Plus particulièrement, les variabilités spatiale et temporelle de la granulométrie sont attendues de jouer un rôle important dans ces interactions. Ainsi, le manque de compréhension de la dynamique des plages de galet est lié à la difficulté à mesurer ces trois aspects simultanément.Le présent manuscrit rapporte le travail réalisé dans l’objectif d’investiguer sur la dynamique hydro-morpho-sédimentaire des plages de galets à des échelles multiples, en analysant un couplage de données multi-plateforme : drone (Unmaned Aerial Vehicle, UAV), et Système de surveillance par caméras vidéo (Video Monitoring System, VMS). Pour ce faire, deux méthodes innovantes basées sur des techniques de deep learning ont été développées afin de (1) cartographier la taille, la forme et l’orientation des galets à la surface d’une plage sur une ortho-image drone, et (2) de produire un ensemble de Modèles Numériques de Terrain (MNT, ou digital elevation model, DEM) journaliers de plages à partir d’images VMS. A cet effet, deux sites comportant une plage de galets ont été instrumentés et sont surveillés en continu depuis 2018 en Normandie. Les deux plages sont situées sur les côtes de la Manche, à proximité l’une de l’autre (64 km), et font face à des conditions de marée et de vagues considérées comme similaires. Cependant ils diffèrent dans leur organisation spatiale et leurs caractéristiques granulométriques : Etretat est une plage de galets pure située dans le creux d’une baie, et Hautot-sur-Mer est une plage composite de sable et galets située sur une côte semi-ouverte.Les données recueillies ont permis l’analyse la dynamique morphologique des plages en réponse aux forçages marins entre les échelles journalière et biannuelle. Différents mécanismes du mouvement des plages ont été mis en évidence (e.g. translation, rotation, rollover and breathing), et certains ont pu être reliés à des processus physiques. Les résultats sur variabilité de la granulométrie ont également mis en évidence la présence de patterns sédimentaires spatiaux en lien avec l’altitude comme un gradient cross-shore systématique, et en lien avec la présence d’épis comme la répétition périodique d’assemblages de clastes triés par taille. Enfin, l’évolution temporelle de la perméabilité au cours d’évènements de tempêtes a été analysées en utilisant une stratégie de calibration du modèle numérique XBeach-G, nourrit avec les données de morphologie et de granulométrie mesurées