Organisme porteur projet : Conservatoire National des Arts et Métiers

Description du sujet

Thématique

Les zônes côtières, du littoral jusqu’au rebord du plateau continental, sont en constante évolution sous l’action de forçages naturels qui évoluent en permanence à différentes échelles de temps et d’espaces. Depuis des décennies, des activités humaines croissantes ont ajouté de profondes modifications morphologiques qui engendrent des déséquilibres importants aux conséquences souvent mal maîtrisées. C’est en particulier le cas pour les processus hydro-sédimentaires en eaux peu profondes. L’occupation de la frange littorale (constructions portuaires, protections littorales) et de la zone intertidale (telle que aquaculture), sont parmi les facteurs les plus impactants à court et moyen terme sur l’hydrodynamique côtière et par voie de conséquence, sur les mouvements des corps et cortèges sédimentaires présents.

Dans le même temps, l’augmentation rapide du niveau marin au cours du dernier siècle (20 à 30 cm) et son accélération prévisible (de l’ordre de 8 mm/an, IPCC, 2019) dans les prochaines décennies, ainsi que le dérèglement climatique associé à un accroissement de l’intensité des tempêtes et des houles (IPCC, 2019), sont autant de facteurs qui sont aussi à l’origine de changements morphologiques conséquents forçant l’environnement côtier à s’adapter en permanence aux nouvelles conditions.

Les déplacements de sédiments et des structures morphologiques associées, façonnent durablement et irrémédiablement la géographie des côtes qui, en rétroaction, impacte les infrastructures et les activités humaines. Dans un tel contexte, les modes de gestion pour une résilience de la qualité de l’espace naturel et des activités humaines de production, doivent à minima s’adapter, voire dans certains cas être revus. Il importe de donner les clés pour distinguer ce qui relève du changement climatique (global et peu dépendant des actions locales) des impacts anthropiques (locaux, dépendant fortement des actions prises par l’Homme).

L’anse du Cul de Loup (Normandie, France) (Page 3) est un exemple typique où se mêlent les contraintes de préservation d’un environnement naturel rare et celles liées à une activité industrielle de production, en l’occurrence ostréicole. Des premiers travaux menés dans le cadre du programme PROTEC (Page 5) ont permis de réaliser tout un ensemble de mesures et d’analyses donnant des bases de compréhension du fonctionnement des processus hydro-sédimentaires en action dans ce lieu.

Le projet MhysCo (Page 8) propose de poursuivre et de capitaliser sur les résultats déjà obtenus, avec comme objectif principal la mise en place un modèle numérique hydro-sédimentaire dans la zone de l’anse du Cul de Loup. Ce travail va permettre de disposer d’un outil de gestion à la fois, capable tout d’abord de reproduire le fonctionnement actuel et de prédire les évolutions futures du contexte hydro-sédimentaire de l’anse du Cul de Loup. En complément, une fois calé, le modèle peut d’être modifié (contours de la côte, bathymétrie, etc.) pour évaluer virtuellement les impacts de différents scénarios de gestion.

Anse du Cul-de-Loup

L’anse du Cul de Loup à l’extrémité Nord-Est du département de la Manche (Normandie, France), est une baie ouverte au sud et localisée entre les communes de Saint-Vaast-la-Hougue à l’est et Quettehou à l’ouest (Figure 1).

Depuis longtemps connue pour son environnement calme (port Viking) dans le contexte hydrodynamique extrême du Cotentin, l’anse du Cul-de-Loup a fait l’objet depuis le XVIIème siècle de nombreux changements morphologiques à la fois de la frange littorale mais également de la zone intertidale. Au nord des constructions Vauban de la Hougue, une digue a permis la fermeture définitive de l’est de l’anse. Au cours du XIXème siècle, c’est sa partie nord-ouest qui est entièrement endiguée puis urbanisée. Depuis les années 1970, l’anse abrite des parcs ostréicoles couvrant actuellement une superficie de 95 hectares. A cette même époque, un terre-plein est construit au nord de la Hougue et une digue perpendiculaire à la première permet d’isoler un partie de la baie en arrière du cordon de galet qualifiée de schorre. Depuis ces modifications récentes, un envasement conséquent de la baie est constaté.
Figure 1: L’anse du Cul-de-Loup à l’est de la péninsule du Cotentin (Normandie, France)

Ce comblement vaseux engendre des problématiques environnementales et économiques de ce secteur classé à la fois zone Natura 2000 (2500012324) et ZNIEFF 1 et 2 : (1) les herbiers à zostères en déclin suggèrent un déclassement DCE de la masse d’eau “Saint Vaast La Hougue” en risque de non atteinte des objectifs environnementaux à l’horizon 2027 et (2) la production aquacole connaît, elle-aussi, une baisse sensible de ces rendements et des mouvements de parcs sont réalisés régulièrement pour tenter de les compenser.
Il pourrait sembler évident, dans un premier temps, que l’augmentation brutale du nombre de concessions ait modifié l’hydrodynamisme de la zone et soit à l’origine des modifications morphologiques observées. Cependant, dans un même temps s’opère l’élévation du niveau moyen des océans et son accélération. Or, la physiographie particulière de l’anse la rend très sensible aux variations, mêmes faibles, des processus environnementaux qui structurent et façonnent les formes et les limites de la zone.
Ces processus ont pu en partie être mis en évidence à travers le projet AESN/CNAM PROTEC (Projet de Territoire : anse du Cul-de-Loup » (PROTEC)). Néanmoins, il n’a pas été possible de quantifier quel est actuellement le phénomène qui impacte le plus la baie et est donc à l’origine des modifications observées. Pour bien comprendre l’évolution future de la zone, il est nécessaire de quantifier le niveau d’influence de chacun d’entre eux.
Figure 2: Tables de production d’huîtres dans l’anse du Cul-de-Loup (Normandie, France)

Le programme PROTEC

Le programme « Projet de Territoire : Anse du Cul-de-Loup » (PROTEC), co-financé par l’Agence de l’Eau Seine-Normandie (70%) et le Cnam/Intechmer (30%) (septembre 2022 – septembre 2024) a eu pour objectif de dresser un état des lieux environnemental de l’anse du Cul-de-Loup dans ses caractéristiques sédimentaires et hydrodynamiques. Trois échelles de temps étaient ciblées : l’échelle annuelle, l’échelle séculaire (centennale) et l’échelle holocène (10 000 ans).
A l’automne 2022, l’analyse sédimentaire (granulométrie et géochimie particulaire) de plus de 100 échantillons (mission PROTEC1) a permis de dresser la carte des principaux modes granulométriques de la couverture sédimentaire superficielles (Figure 3). Le comblement observé par les acteurs du territoire a été mis en exergue. Il se dessine en effet un envasement progressif de l’anse dans sa partie est et nord-est.
Ces mêmes échantillons ont été séparés en fractions granulométriques (de 20 μm jusqu’à 2 mm). Chacune d’entre elles a été analysée par fluorescence X afin d’en définir la géochimie particulaire. La mise au point de cette nouvelle méthodologie (ELSA, Gregoire et al., submitted) a permis de localiser les trois principales sources (Marine – M; Anthropique – A et Schorre; S) et puits sédimentaires actuels ainsi que de définir des gradients de transport illustrés sur la figure 4.
Des mesures supplémentaires sont nécessaires pour définir le volume de sédiment déposé et exporté de la baie.
Figure 3: Répartition des principaux modes granulométriques dans l’anse du Cul-de-Loup (Gregoire et al., 2023)
Les gradients géochimiques ont permis de définir l’organisation des facteurs hydrodynamiques principaux :
•
la dérive littorale, issue de la houle, pénètre dans la baie en longeant d’abord de littoral ouest puis nord. Cette dernière s’estompe à l’approche du fond de baie ;
•
les courants de marée alternatifs s’accélèrent par effet venturi dans les secteurs resserrés, induits par les concessions ostréicoles, dans le chenal de vidange au sud et le long du littoral nord. A l’inverse les zones de puits sont issues de la décélération des courants de marée en lien avec la morphologie de la baie (extrême fond au nord-est) et la présence des parcs à huîtres, le long du littoral est.
Il apparaît clairement que la présence des parcs ostréicoles a une influence sur la circulation hydro-sédimentaire (transfert et dépôt) à l’intérieur de l’anse, en flot et en jusant. Néanmoins, elle n’influence pas les sources et le schéma hydro-sédimentaire est donc plus complexe qu’il n’y parait.
Pour mieux comprendre la circulation hydrodynamique de la zone, trois campagnes de mesures de courant par courantomètre Doppler, ont dressé les traits généraux de l’hydrodynamique à l’entrée de l’anse du Cul-de-Loup. Cependant, la complexité de l’organisation géographique de la forme des contours des parcs et la densité des tables de production, n’a pas permis de déployer des appareils pour des mesures précises des directions et vitesses des courants à l’intérieur des zones ostréicoles. Ce travail reste à réaliser pour une meilleur prise en compte de l’action des tables de production sur le comportement des courants dans l’anse.
Figure 4: Hydrodynamique générale de l’anse du Cul-de-Loup (Desgranges., 2023).
En parallèle, des carottes d’interface ont été prélevées à l’automne 2023 (Mission PROTEC3, au nord est de la baie) afin de comprendre l’évolution historique de la zone. Les premiers résultats mettent en évidence l’existence d’un événement significatif majeur, estimé aux alentours de 1970-1980 (en raison des morceaux de plastiques échantillonnées dans ce niveau sédimentaire nommé de « transition ») correspondant aux dates d’installation des parcs à huîtres. Ce niveau caractérise un changement de sédimentation brutal, nécessairement en relation une modification de l’hydrodynamique à l’échelle de la baie. Ceci est confirmé par une succession de prises de vues aériennes historiques (IGN – Géoportail1). Cet évènement brutal a considérablement réorganisé le schéma hydro-sédimentaire qui, selon la stratigraphie des carottes d’interface, semblait auparavant en équilibre.
L’envasement récents des parcs à huîtres (à partir des années 2000) tend à indiquer une nouvelle déstabilisation du système. La superficie des parcs n’ayant pas évoluée depuis, ce constat est vraisemblablement à mettre plus en relation avec l’augmentation du niveau marin. Ce travail d’identification reste à réaliser pour une meilleur prise en compte de l’action des tables de production au regard de l’augmentation du niveau marin.
Les gestionnaires en charge de la conservation environnementale, ainsi que de l’activité économique essentielle à une souveraineté alimentaire de produits de la mer, doivent pouvoir disposer des moyens d’études et d’analyses de différents scénarios de gestion. Les modèles numériques permettent de simuler l’impact engendré par la modification des processus sur l’évolution sédimentaire et morphologique. Munis de ces outils, les gestionnaires pourront mettre en oeuvre les solutions les plus en adéquation avec les objectifs recherchés.

Objectifs du projet MHysCo

Pour adopter de bonnes pratiques de gestion du domaine côtier dans de double objectif de préserver à la fois des conditions environnementales satisfaisantes et un niveau d’activité économique viable et durable, il est nécessaire de se doter de procédures et d’outils capables :
• de prévoir à court et moyen termes l’évolution de l’hydrodynamique et de la dynamique sédimentaire associée ;
• d’appréhender un espace géographique en relation avec la nature des processus responsables des principales modifications morphologiques ;
• d’estimer les modifications de la qualité des sédiments en relation avec les agents forçant.

La mise en place d’un modèle numérique réclame l’agrégation des connaissances et informations des processus naturels modélisés sur la zone d’étude. Une fois validés, le modèle va permettre d’obtenir de l’information là où aucune mesure ni observation n’ont été réalisées aussi bien dans l’espace que dans le temps.

Le travail proposé consiste en la mise en place d’un modèle numérique hydro-sédimentaire basé sur une approche RANS2, représentatif de l’hydrodynamique et des mouvements sédimentaires de l’anse du Cul-de-Loup (Normandie, France) (Figure 1).

Méthode

La mise en place d’un modèle numérique hydro-sédimentaire de l’anse du Cul-de-Loup doit permettre aux gestionnaires et décideurs locaux de prendre les meilleurs mesures pour une conservation à la fois de la qualité environnementale et de l’économie de l’anse du Cul-de-Loup.
Pour réaliser ce travail à l’échelle de l’anse, il est nécessaire de prendre en compte l’hydrodynamique à l’échelle de l’est Cotentin. Les codes de calcul basés sur la résolution des équations de Navier-Stokes de la famille RANS, sont les seules viables à l’heure actuelle pour donner des résultats suffisamment précis en espace et en temps.
Le code de calcul hydrodynamique CROCO (Coastal and Regional Ocean COmmunity model) est une évolution du code ROMS_AGRIF développé par l’UCLA, la Rutgers University et l’IRD. CROCO est capable d’intégrer la modélisation de l’hydrodynamique côtière et régionale, depuis l’océan profond jusqu’aux zones intertidales. Ce code est tout à fait adapté au cas de l’anse du Cul-de-Loup, qui est dans sa partie septentrionale une zone intertidale et dans sa partie méridionale en zone subtidale. Avec le forçage de marée, CROCO est aussi capable de prendre en compte l’influence des vagues et des houles, ainsi que celui des conditions de vent. Le couplage possible de CROCO avec d’autres modèles (atmosphériques, vagues et houles, etc.) donne la possibilité d’une mise en conditions encore plus fidèles de l’hydrodynamique réelle.
Le code MUSTANG (MUd and Sand TrAnsport modelliNG) est le module de modélisation de la dynamique sédimentaire couplé au code CROCO. Dans sa version 2, récemment intégrée à CROCO, MUSTANG prend en compte deux modes de transport des sédiments : a) par charriage/saltation et b) en suspension. Plusieurs types de sédiments sont pris en compte : les graviers, les sables et les argiles. MUSTANG, est capable de tenir compte de mélanges des différents types de sédiments en pourcentages variables. Néanmoins, des travaux récents réalisés au cours de la thèse de M. Mignot (Mignot, 2023) ont montré qu’il restait à valider certains aspects de MUSTANG dans le cadre de sa nouvelle intégration à CROCO.

Cas particulier des tables ostréicoles

L‘anse du Cul-de-Loup est couverte à environ 45 % de concessions de culture d’huîtres. La présence des tables de production (Fig. 2) influence de toute évidence l’hydrodynamique et le comportement des sédiments dans la zone, elles doivent donc être prise en compte dans le modèle numérique. Cet aspect est un des points sensibles dans la mise en place du modèle de l’anse du Cul-de-Loup.
Cayocca et al. (2005) ont augmenté la rugosité de fond pour simuler l’impact de la présence de cultures de moules dans un modèle numérique. Sur cette base Gaurier et al . (2011) ont réalisé des travaux expérimentaux et des analyses numériques pour dimensionner le niveau de rugosité dans le cas de tables ostréicoles identiques à celles de l’anse du Cul-de-Loup. Guillou (2023) a proposé une approche simplifiée pour la prise en compte des tables dans l’objectif de réaliser des simulations en 2D à l’échelle d’une baie.
L’approche de Guillou (2023) sera reprise et testée dans le code CROCO, cette fois en 3D.

Tâche A

Il est nécessaire de réaliser en premier lieu une validation des résultats CROCO-MUSTANG sur des cas tests documentés (Mignot, 2023). Cette validation devra s’accompagner d’une analyse du code Fortran de MUSTANG afin d’en retirer le modèle fonctionnel réel tel qu’il est implémenté dans la version actuelle. Ce modèle fonctionnel donnera lieux, le cas échéant, à la modification du code et/ou à l’intégration de nouvelles fonctionnalités.

Tâche B

Une fois la validation du couplage CROCO-MUSTANG effectuée (Tâche A), un modèle hydro-sédimentaire de l’anse du Cul-de-Loup pourra être mis en place en tenant compte des informations environnementales recueillies au cours du programme PROTEC sur notamment les aspects sédimentaires.
Dans un premier temps la partie hydrodynamique CROCO devra être mise en place et les choix des caractéristiques principales structurantes du modèle définis :
• l’emprise totale du domaine ;
• le nombre de grilles emboîtées et leur résolution de maille respective ;
• le modèle de marée définissant les conditions limites ;
• les morphologies du domaine (bathymétrie et limites côtières actuelles) ;
• prise en compte de la présence de tables ostréicoles.
A l’issue de cette phase, les premières simulations des vitesses et des courants devront être validées à l’aide des données hydrodynamiques déjà acquises (PROTEC) et ensuite par celles acquises dans le cadre du projet (Tâche C). Au cours de cette étape de validation, les forçages atmosphériques (vitesse et direction du vent, température, pression, etc.) pourront le cas échéant être ajoutés au modèle pour un meilleur calage avec les données de terrain.
Le modèle sédimentaire MUSTANG viendra dans un second temps. Il sera établi sur la base des données de couverture sédimentaire mobile actuelle. La validation des résultats d’un modèle sédimentaire est plus complexe à réaliser que celle d’un modèle hydrodynamique. Dans le cas présent, les résultats du programme PROTEC, notamment
ceux basés sur l’analyse géochimique des sédiments, seront plus particulièrement sollicités.

Tâche C

Les données d’hydrodynamiques devront être complétées par des mesures spécifiques à l’intérieur des parcs ostréicoles de l’anse du Cul-de-Loup. Entres autres, des mesures ADV (Acoustic Doppler Velocimetry) seront planifiées en divers endroits afin de connaître précisément les niveaux et l’allure des vitesses autour des structures de production. D’autres types de mesures sont envisagés en fonction des besoins (courantomètres Doppler, capteurs de pression, sondes multi-paramétriques, etc.), pour parfaire la connaissance des caractéristiques hydrodynamiques réelles.
Dans le cadre d’un accord de partenariat entre le Cnam/Intechmer et le LPMA (Lycée Professionnel Maritime et Aquacole) de Cherbourg, il est possible d’avoir accès, sans restrictions, à une zone de production à l’intérieur de l’anse du Cul-de-Loup. Cette concession offre la possibilité d’avoir un site atelier en lien direct avec la zone d’intérêt.

Résultats attendus du projet MHysCo

Le modèle numérique hydro-sédimentaire de l’anse du Cul-de-Loup permettra d’identifier les principaux facteurs responsables de la dynamique sédimentaire et des modifications morphologiques. Notamment, il doit permettre de qualifier et quantifier l’impact des tables ostréicoles sur les courants et les déplacements sédimentaires à l’intérieur de l’anse du Cul-de-Loup (Gaurier et al., 2011 ; Guillou, 2023). Ainsi, par différence avec les observations les plus récentes, l’impact environnemental lié au dérèglement climatique (montée du niveau marin, niveau et intensité des tempêtes, etc.) sera recherché pour avoir une estimation de son intensité.
Une fois validé, un tel outil peut être utilisé dans différentes configurations en fonction des questions posées et des objectifs recherchés. Pour aider à la mise en oeuvre de différent scénarios, une attention particulière devra être faite à faciliter les changements des conditions initiales du modèle numérique.
En partant d’une situation sans aucune concession ostréicole, la mise en place progressive des tables d’huîtres dans le modèle, devra permettre de retrouver des conditions environnementales proches de celles observées et mesurées dans le présent (notamment dans PROTEC).
A l’inverse, partant des conditions actuelles, le modèle pourra estimer les modifications sur l’hydrodynamique et la circulation des sédiments dans des cas d’hypothèses telles que : la digue au nord-est de l’anse n’est plus présente ; la route de la Hougue entre St-Vaast et l’île de la Hougue est perméable, à l’instar par exemple des aménagements de la route qui mène au Mont-St-Michel ; la poursuite de la hausse du niveau marin en ce basant sur les prévisions actuelles (Fig. 5).

Laboratoire d’accueil : Laboratoire Universitaire des Sciences Appliquées de Cherbourg
Lieu d’accueil : Cnam/Intechmer
Adresse :bv. de Collignon, 50110 Tourlaville
Cherbourg en Cotentin
Responsable :Emmanuel Poizot, Ingénieur de Recherche HDR
Spécialité :Géosciences marines
Mail :emmanuel.poizot@lecnam.net
Tél :02 33 88 73 42
Encadrement1 :Sébastien Donnet, Maître de Conférence
Spécialité :Océanographie physique
Mail :sebastien.donnet@lecnam.net
Tél :02 33 88 54 92
Encadrement2 :Gwendoline Grégoire, Maître de Conférence
Spécialité :Sédimentologie marine
Mail :gwendoline.gregoire@lecnam.net
Tél :02 33 88 73 36
Mots clés : Croco-Mustang, ostréiculture, sédiment, transport sédimentaire, hydrodynamique, environnement