En ce début du XXI-ème siècle, protéger l’environnement devient un enjeu scientifique et sociétal majeur dans un contexte de développement durable. Les zones côtières occupent une place particulière du fait de,(a) de l’étendue des côtes (le linéaire côtier global est de l’ordre de douze fois la longueur de l’équateur), (b) de la forte concentration des populations humaines sur le littoral, (c ) de la multiplicité des modes d’utilisation des ressources naturelles (pêche, aquaculture, potentiel éolien, énergies marines renouvelables…) et (d) de la multiplicité des échelons de gouvernance, à savoir internationale, nationale, régionale, locale et autres. À ce titre, les zones côtières font l’objet d’un intérêt croissant. Cependant, leur fonctionnement est difficile à appréhender car il faut tenir compte pleinement de la multi-dimensionnalité de cet environnement, de son évolution et de la présence de nombreuses boucles de rétroaction entre systèmes côtiers naturels, industriels et humains. La zone côtière représente l’archétype de l’éco-système complexe, système pour lequel il importe pour l’appréhender, d’utiliser une approche qui transcende les disciplines en les intégrant.
La connaissance de la circulation marine en région côtière s’est considérablement améliorée au cours des vingt dernières années en raison des progrès techniques réalisés par les moyens d’observation et par les moyens de calcul mis à la disposition des modélisateurs. La calibration, puis la validation des modèles numériques est une préoccupation constante, souvent en raison de l’utilisation en aval des résultats des modèles pour d’autres études spécifiques (cartes de courants, dérives de masses d’eau, transport et dispersion du matériel dans l’eau). Dans la zone côtière plus qu’ailleurs, la complexité géométrique du contour des côtes, la bathymétrie et la variabilité des forçages, conditionnent les échelles temporelles et spatiales à atteindre.
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animation des courants instantanés en rade de Boulogne-sur-mer donnée par MARS3D lors d’une marée complète (Jouanneau et al., 2012) (cliquez sur l’image pour animer) |
MARS (Model for Applications at Regional Scales) est un modèle communautaire développé et diffusé par l’équipe DYNECO/PHYSED (laboratoire de PHYsique et SEDimentologie du département DYNamiques de l’Environnement COtier) de l’IFREMER. Cet outil informatique est dédié à la modélisation océanographique côtière, des échelles régionales jusqu’aux échelles littorales (quelques centaines voire dizaines de mètres) et intègre une forte composante environnementale (modules de sédimentologie et biogéochimie).
A l’Ifremer, le modèle pluridisciplinaire MARS est principalement appliqué à la modélisation régionale des façades maritimes métropolitaines par le biais de configurations côtières dédiées à l’étude de sites et d’écosystèmes d’intérêt économique ou territorial. Il est aussi utilisé par différents organismes de recherche pour des besoins spécifiques variés, par exemple étudier l’hydrodynamique (risque naturel : surcote, inondations, …) et la morphodynamique littorale [BRGM, UMR EPOC], l’hydrodynamique lagonaire (Nouméa, Tuamotu) et lagunaire (Terminos et Cienfuegos) [IRD], l’hydrodynamique estuarienne et application au transport des sédiments fins [INA, IMFIA, CIMA (Argentine)]… Enfin, le code de calcul MARS, est exploité par plusieurs sociétés privées pour réaliser des études d’impact à destination des collectivités locales et par le système d’océanographie côtière opérationnelle PREVIMER (http://www.previmer.org) qui fournit quotidiennement des prévisions hydrodynamiques et environnementales. Le modèle MARS-3D, (Lazure et Dumas, 2007) est un modèle à surface libre aux différences finies fondé sur la résolution des équations de Navier-Stokes. Il introduit l’approximation de Boussinesq et l’hypothèse d’hydrostaticité sur la verticale. Ce modèle, inspiré de celui de Blumberg et Mellor (1987), est basé sur la séparation des modes barotropes et baroclines. Un modèle 2D, qui fournit l’élévation de la surface libre et les courants barotropes, est ainsi couplé au modèle 3D, qui fournit les courants baroclines, afin de considérer séparément les ondes de gravité de surface et les ondes internes. Les équations de ces deux modes sont résolues séparément mais avec le même pas de temps à l’aide d’une méthode itérative.
exemples de Problématiques pouvant être solutionnées par l’usage de la modélisation :
–érosion côtière
(simulation hydrodynamique à plus ou moins long termes des flux sédimentaires, simulation numérique d’aménagements côtiers (digues, reef artificiels..) et évaluation de leur impacts sur la courantologie, énumération des solutions possibles et durables .
–pollution littorales
simulation de dispersion de substances polluantes, suivi spatio-temporelle et probabilité sur l’évolution de la qualité des eaux côtières en fonctions des forçages extérieurs (vents, marées, houles etc..).
-suivi de déchet flottants
simulation du devenir de macro déchets flottants (type plastique) depuis le point de rejet.
–marées noires
étude et reconstitution de rétro-trajectoires (hindcasting) de nappes de pétrole observées par images radar ou satellites pour identifier les coordonnées géographiques du point de rejet et identifié quel bateau pourrait être suspect connaissant les trajets respectifs des gros navires (balisage obligatoire des gros bateaux)
Études, simulations et solutions…
(cliquez sur l’image pour animer)
dispersion lagrangienne de particules assimilées à un polluant à l’exutoire de la Liane, rivière se jettant en rade de Boulogne-sur-mer en utilisant Ichthyiop, module de transport couplé à MARS3D. (Jouanneau et al., 2012).
(cliquez sur l’image pour animer)