Axe : Environnement Aquatique

Dans l’Axe Environnement Aquatique on distingue trois thématiques principales :

1. le transport solide (sédiments) et ses conséquences sur la morphodynamique des rivières et des littoraux ;
   Cette thématique sur le transport solide et la morphodynamique regroupe des travaux simulant les mouvements de sédiments accompagnant ceux des masses d’eau concernées pas l’Axe Hydrodynamique environnementale, et les conséquences de ces mouvements sur l’évolution des fonds (bathymétrie), des berges et des rives.
2. les interactions avec les structures, principalement pour la production d’électricité (éoliennes en milieu marin) ;
   Cette thématique regroupe des travaux au sujet de la modélisation des interactions entre les masses d’eau et des structures, en particulier celles permettant de produire de l’électricité en milieu marin couramment appelée « éoliennes offshore » (Offshore Wind Turbine en anglais), qui peuvent être de fondations variées : monopieu planté dans le sol (monopile), flotteur avec amarres lâches ou tendues (Tension-Leg Platform)...
3. les études pour la natation, dont la qualité physique de l’eau (température).
   Cette thématique concerne des travaux au sujet de la natation, d’une part l’évaluation des conditions de baignade et nage en eau libre (principalement la température de lacs et cours d’eau, mais aussi la concentration en indicateurs de pollution tels Escherichia Coli et la courantologie), d’autre part la modélisation de la nage de haut niveau qui est un processus biomécanique reproductible pour des nageurs de compétition.

Au-delà du LHSV, ces thématiques concernent aussi diverses communautés internationales de scientifiques, s’intéressant à la modélisation du transport solide à différentes échelles (« localement » à l’échelle d’ouvrages tels des prises d’eau, des vannes... et « largement » à l’échelle synoptique des cours d’eau et des littoraux), au développement de la production renouvelable d’électricité (hydroliennes, éoliennes...) et à la baignade et la natation dans leurs aspects physiques. 

La modélisation du transport solide dans les cours d’eau est consubstantielle de la modélisation des courants, et sa simulation numérique s’est naturellement développée au XXème sur la base des simulations hydrodynamiques du type évoqué dans l’Axe Hydrodynamique environnementale, qui décrivent des courants liés à la dynamique de la surface libre. La suite openTELEMAC permet la simulation du transport solide en vertu de différentes théories existantes (basées sur des EDPs) via le module GAIA, qui est actuellement utilisé dans de nombreuses applications. 
Simuler le transport solide est en effet un enjeu actuel pour la mise en œuvre de la Directive Cadre sur l’Eau de l’Union Européenne (2000/60/CE), notamment respecter la continuité sédimentaire au niveau des ouvrages hydroélectriques (barrages, usine marémotrice) : la simulation permet de dimensionner les curages des réservoirs, proposer une gestion durable des réservoirs. La prévision du transport solide est également un enjeu essentiel pour l’exploitation des centrales nucléaires près des fleuves (les chenaux d’amenée de la source froide doivent aussi être curés), le dimensionnement des fondations de certains parcs éoliens offshore (sur fonds marins gravo-sableux), ou la gestion intégrée du littoral qui est plus que jamais un enjeu en période de changement climatique — la Loi Climat et Résilience n° 2021-1104 du 22 août 2021 s’intéresse à la position du trait de côte aux échéances de 30 et 100 ans. 

La modélisation d’interactions entre les grandes masses d’eau et les structures (non-dispersées, au contraire des sédiments) s’est aussi développée consubstantiellement aux modèles hydrodynamiques. Une étape historique a consisté en la validation des efforts hydrodynamiques exercés sur des ouvrages rigides, fixes (digues, jetées, seuils...) dans des écoulements (à surface libre) stationnaires, d’une part, et l’influence réciproque de la présence d’un ouvrage sur l’écoulement. Puis la thématique a abordé des objets mobiles et des écoulements instationnaires, sur la base d’hypothèses simplificatrices tels que les articles pionniers de John en 1949 et 1950. Actuellement, la thématique cherche à s’affranchir d’hypothèses simplificatrices en vue d’applications à fort enjeu socio-économique telles que le dimensionnement des éoliennes offshore.
La Programmation Pluriannuelle de l’Énergie (L.141 et D.141 du code de l’énergie) vise en effet une puissance de 18 GW d’éoliennes installées en mer en 2030, puis 50 GW en 2050, afin de faire de cette source d’électricité renouvelable la deuxième contribution la plus importante (après le nucléaire) au mix énergétique français en 2050. Un défi technologique et l’identification de supports capables de résister aux diverses conditions marines pendant au moins 20 ans. Un défi scientifique en regard est la prévision numérique du comportement des structures offshore, qui nécessite à la fois de mieux prévoir les conditions météomarines (efforts aérodynamiques et hydrodynamiques, dont des vagues extrêmes, déferlantes) et la réaction des structures (flottantes ou fixes, sujettes à rupture/fatigue...).
Enfin, la modélisation de la qualité des eaux dans l’environnement en un sens plus large que la seule turbidité (c’est-à-dire la concentration en « microstructures rigides inframillimétriques », ou sédiments) est bien sûr également consubstantielle du développement des modèles d’hydrodynamique environnementale, dans la mesure où elle consiste également en le transport par l’écoulement de substances variées (espèces chimiques dissoutes, micro-organismes). Une particularité importante des concentrations en substances qui composent la qualité d’une eau « solvant » est leur ajustement (après mélange notamment) à des valeurs d’équilibre essentiellement fonctions de la température. C’est donc la dynamique de cette dernière variable qui a focalisé l’attention des chercheurs intéressés à la prévision numérique de la qualité des eaux dans l’environnement sur la base d’outils de simulation comme le module WAQTEL dans openTELEMAC.

La prévision de la température de l’eau dans l’environnement, ainsi que la concentration en indicateurs de pollution, est non seulement un enjeu pour des industriels comme EDF, mais également pour des gestionnaires publics visant la réouverture prochaine de lieux de baignade naturels en zones urbaines, ou des événements sportifs en eau libre tels les Jeux Olympiques et Paralympiques à Paris en 2024. 
L‘enjeu de la qualité des eaux lors des Jeux Olympiques et Paralympiques à Paris en 2024 ont par ailleurs incité le LHSV à améliorer, non seulement les connaissances pour une bonne gestion des eaux naturelles où évoluent des sports nautiques, mais aussi les connaissances pour une optimisation de la pratique de ces sports : une ouverture du LHSV vers les sciences pour le sport (de compétition), un sujet récent et en pleine expansion, soutenu par EDF (via sa fondation notamment) et par ENPC.

Le LHSV a ainsi axé ses recherches autour de thématiques qui reflètent d’une part, le développement continu de son expertise en mécanique des fluides au service du génie hydraulique environnemental, et son ouverture à des sujets connexes impliquant des enjeux actuels majeurs de l’environnement aquatique d’autre part.