Soutenance de thèse de Florin ZAINESCU

Ecole Doctorale
ESPACES, CULTURES, SOCIETES - Aix Marseille
Spécialité
Géographie
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
embouchure,crues,tempetes,dynamique sedimentaire,
Keywords
river mouth,floods,storms,sediment dynamics,
Titre de thèse
Interactions fluvio-marines et dynamique sédimentaire en zone d’embouchure fluviale
Fluvio-marine interactions and sediment dynamics in river mouth areas
Date
Lundi 16 Décembre 2019 à 10:00
Adresse
Faculty of Geography, University of Bucharest: Bd. Nicolae Bălcescu Nr. 1, cod postal 010041, Sector 1, Bucureşti
George Valsan
Jury
Rapporteur M. Petru URDEA Universitatea de Vest din Timişoara
Rapporteur M. Xavier BERTIN UMR 7266 LIENSS CNRS-Université de La Rochelle
Examinateur Mme Laura COMĂNESCU University of Bucharest
Examinateur M. Vincent MORON Aix-Marseille University, CEREGE
Directeur de these M. Edward ANTHONY Aix-Marseille University, CEREGE
CoDirecteur de these M. Alfred VESPREMEANU-STROE University of Bucharest

Résumé de la thèse

Cette thèse s’est construite autour du fait établi que les d’embouchures ont joué un rôle central dans le développement du delta du Danube et de l’hypothèse selon laquelle les embouchures, étant des pourvoyeurs pour la côte en sédiments et en eau douce, sont essentielles à la compréhension des côtes deltaiques. Les services écosystémiques rendus par les deltas pour la biodiversité et les sociétés humaines sont indéniables, alors qu’ils abritent les plus grandes villes du monde tout en hébergeant des zones humides et hot-spots de biodiversité. Les embouchures sont parmi les plus larges environnements de transition, où le débit fluvial interagi avec les vagues, la marée, les vents générant des courants, et où l’eau douce se mélange avec l’eau salée. Cette thèse est basée sur des données de terrain, notamment des levés bathymétriques, des mesures de débit fluvial et de décharge sédimentaire, des données de vagues, vents et courants, ainsi que des profils topographiques et des images satellites. Une grande partie de cette thèse est consacrée à l’utilisation de Mike 21/3 by DHI (Danish Hydraulic Institute), un modèle couplant hydrodynamique et vagues, qui est utilisé pour caractériser la circulation des courants, les vagues et estimer la contrainte de cisaillement dans un système d’embouchure complexe. Bien que débutant par des exemples issus du delta du Danube, cette thèse s’étoffe avec des exemples globaux. Les inondations et tempêtes sont des phénomènes récurrents aux embouchures et peuvent avoir un impact considérable sur la sédimentation et les changements morphologiques. Les résultats montrent une réponse linéaire dans les changements bathymétriques en relation avec l’influence des inondations et des tempêtes, ces changements peuvent être prédits par un index innondation/tempète basé sur le débit fluvial, la décharge sédimentaire et la hauteur des vagues (R2=0.84). Les données de terrain intégrées au modèle Mike 21/3 ont permis d’aboutir à un modèle conceptuel hydro-sédimentaire sur un système de barre d’embouchure, forcé par l’incidence de vagues asymétrique lors de deux phases opposées où domine, d’une part, le débit puis les forçages marin de tempête. L’analyse exploratoire du modèle s’est étoffée en appliquant 5 bathymétries idéales à une série de conditions de forçage, ce qui a abouti à ~1000 instantanées de conditions hydro-sedimentaires, fonction du débit fluvial (0 à 8000 m3/s), des hauteurs significatives de vagues (0.75 à 6 m) et leurs directions d’incidence (0 to 90°). La déflexion du jet est prédit en fonction de l’équilibre entre débit fluvial et courant longshore, ainsi le jet sortant est dévié (ou non-dévié) quand le courant longshore est dominant (ou dominé) sur le débit fluvial, et un angle de ~45° de déflexion est estimé pour un débit fluvial équivalent à l’intensité du courant longshore. Les effets de la barre d’embouchure sur le système hydrodynamique sont explorés, tout en soulignant les différences entre formes symétrique à asymétrique ou encore avec la variation de volume de la barre.Finalement, des liens prédictifs sont proposés avec des interactions morpho-hydrodynamiques comme le « hydrolic-groyne effect ». Le cas d’une brèche naturelle exceptionnellement large dans la flèche de Sacalin en aval de l’embouchure Sf. Gheorghe, permet de mieux comprendre les processus de transport sédimentaire. Cette large brèche (3,4 km) a bouleversé les tendances décennale d’évolution de cette barrière, passant d’un transport cross-shore faible à des transports cross-shore plus élevés vers l’arrière de la barrière. Finalement, la thèse esquisse un schéma préliminaire du transport sédimentaire sur le lobe deltaïque de l’embouchure St. Gheorghe basé sur des mesures bathymétriques et des résultats de modélisation numérique; et décrit les actions nécessaires pour envisager au complet le système de transport sédimentaire, indispensable à une gestion réussie de cette côte deltaïque.

Thesis resume

This thesis started from the observation that river mouths play a central role in the development of the Danube Delta and from an intuition that river mouths, as suppliers of sediment and water to coastal areas are quintesential in understanding river-influenced coasts. Contribution of rivers and deltas to biodiversity and human society is immeasurable, as deltas contain some of the world’s largest cities, and natural wetlands with important biodiversity hotspots. River mouths are one of the Earth’s greatest transitional environments where riverine flows coexist with wave, tidal and wind driven currents, and fresh water mixes with the saline marine water. The present thesis is based on field data which comprises bathymetric surveys, measured river water and solid discharges, wave and wind data, ADCP data, topographic profiles, satellite imagery. Also, a big part of the thesis is dedicated to using the Mike 21/3 by DHI (Danish Hydraulic Institute), a coupled hydrodynamic and wave model, which is used to characterize water circulation, waves and the bed shear stresses at the complex river-mouth systems. Although starting with examples from the Danube Delta, the thesis expands with global examples so that the findings here can have a wider relevance. Floods and storms are common phenomena at river mouths and can have a considerable impact on river-mouth sedimentation and morphological change. Results show a linear response in bathymetric change in relation to the relative influence of floods and storms and that change can be predicted by a Flood/Storm index based on river water or sediment discharge and wave height proxies (R2=0.84). Field data are integrated with the Mike 21/3 model results to derive a conceptual hydro-morphodynamic model of an asymmetric wave influenced river-mouth bar during the two antagonistic phases of flood-driven and storm-driven dynamics. Furthermore, the analysis is extended using exploratory modelling to a full range of conditions on 5 idealized bathymetries which resulted in ~1000 different hydro-sedimentary snapshot conditions as a function of discharge (0 to 8000 m3/s), wave height (0.75 to 6 m) and direction (0 to 90°). Jet deflection is predicted by a balance of river jet discharge and longshore current discharge, such that the jet is deflected (undeflected) when the longshore current is much higher (much lower) than the river jet, and a ~45° deflection is predicted when the discharge of jet equals the discharge of the longshore current. The effects of the mouth bar on the hydrodynamics is examined, as well as highlighting the differences between symmetric, asymmetric and mouth bars with different volumes. Finally, predictive relationships are proposed for emergent morpho-hydrodynamic interactions such as the “hydrologyc groin effect”. Next, the event of an exceptionally large natural breaching of a sandy spit (Sacalin spit) is used to have an insight into the sediment transport processes downdrift of the Sf. Gheorghe river mouth. The large breach which quickly reached 3.4 km in May 2014, is attributed to morphological preconditioning of the narrow (50–150 m) barrier, which was susceptible to breaching even during moderate storm conditions. The event switched the barrier’s decadal evolution from low cross-shore transport to high cross-shore transport over the barrier, which is an order of magnitude larger than during the non-breach period. Finally, the thesis sketches a preliminary scheme for the sediment transport at the wave-influenced Sf. Gheorghe lobe, taking into account the known sources and sinks, based on bathymetric measurements and numerical modelling results; and outlines the actions needed to envisage a full sediment transport scheme which is needed for a successful management of the deltaic coast.