Publications

2018

• Modélisation du déferlement dû à la bathymétrie dans un code de simulation des vagues non-linéaires et dispersives en zone côtière
  
  • Simon B
  • Papoutsellis C
  • Benoit M.
  • Yates M.
  , 2018. La modélisation de la dissipation d'énergie due au déferlement en eau peu profonde dans un code de vagues complètement non-linéaire et dispersif est étudiée. Le modèle de propagation des vagues est fondé sur la théorie potentielle et suppose au départ que la surface libre ne se retourne pas. L'inclusion de la dissipation par déferlement est toutefois possible en ajoutant un terme similaire à une pression dans la condition limite dynamique de surface libre. Deux critères issus de la littérature sont testés pour déterminer le début de déferlement, l'un de type géométrique et l'autre de type énergétique. Deux méthodes sont testées afin de dissiper l'énergie, l'une basée sur la similarité d'une vague déferlante avec un ressaut hydraulique déferlant et l'autre utilisant un terme dissipatif de type viscosité turbulente. Les simulations numériques sont effectuées à l'aide de combinaisons des deux critères et des deux méthodes de dissipation. Leurs résultats sont comparés à des expériences des vagues déferlant sur une barre immergée, d'abord pour des vagues régulières, puis pour des vagues irrégulières. Nous montrons que les différentes approches sont capables de reproduire les évolutions des trains de vagues observées expérimentalement, bien que des tests supplémentaires restent à mener pour valider complètement le modèle dans une gamme de conditions plus large.
• Bars morphodynamics in trained rivers with heterogeneous sediment
  
  • Cordier Florian
  , 2018. Rivers often present a wavy bed topography due to the presence of bars, corresponding to large sediment deposits alternating with deeper areas (pools). Intense and continual river engineering works altering the river geometry, flow regime and sediment supply can impact bar morphodynamics at the reach scale. A deep knowledge of bar processes is important for river managers, because bars actively control the river bed topography and influence bank erosion, with consequences for navigation, water intakes, infrastructure and the quality of their habitats. Although the origin of bar formation and propagation is well understood, the understanding of bar morphodynamics in rivers remains limited due to the non-linearity of combined natural and anthropogenic effects. Sediment non-uniformity is an inherent characteristic of rivers, but its impact on bar properties, even considering simple configurations, is still unclear. This Ph.D. thesis aims at investigating the impact of sediment size heterogeneity on bars in rivers with non-erodible banks, using a two-dimensional morphodynamic model implemented in the Telemac-Mascaret system. The necessary model developments are brought to comply with the state of the art on the modelling of heterogeneous sediment with bars. Then, the model is used to study bar morphodynamics in a straight channel on the basis of laboratory experiments. Eventually, the analysis is transferred in a 1 km reach of the Loire river characterized by a relatively complex geometry. General outcomes validate the modelling approach and demonstrate the application portability for other study cases, shed more light on the relationship between non-uniform sediment and bars, and can be later used as recommendations for river managers.
• Utilisation des données historiques dans l'analyse régionale des aléas maritimes extrêmes : la méthode FAB
  
  • Frau Roberto
  , 2018. La protection des zones littorales contre les agressions naturelles provenant de la mer, et notamment contre le risque de submersion marine, est essentielle pour sécuriser les installations côtières. La prévention de ce risque est assurée par des protections côtières qui sont conçues et régulièrement vérifiées grâce généralement à la définition du concept de niveau de retour d’un événement extrême particulier. Le niveau de retour lié à une période de retour assez grande (de 1000 ans ou plus) est estimé par des méthodes statistiques basées sur la Théorie des Valeurs Extrêmes (TVE). Ces approches statistiques sont appliquées à des séries temporelles d’une variable extrême observée et permettent de connaître la probabilité d’occurrence de telle variable. Dans le passé, les niveaux de retour des aléas maritimes extrêmes étaient estimés le plus souvent à partir de méthodes statistiques appliquées à des séries d’observation locales. En général, les séries locales des niveaux marins sont observées sur une période limitée (pour les niveaux marins environ 50 ans) et on cherche à trouver des bonnes estimations des extrêmes associées à des périodes de retour très grandes. Pour cette raison, de nombreuses méthodologies sont utilisées pour augmenter la taille des échantillons des extrêmes et réduire les incertitudes sur les estimations. En génie côtier, une des approches actuellement assez utilisées est l’analyse régionale. L’analyse régionale est indiquée par Weiss (2014) comme une manière très performante pour réduire les incertitudes sur les estimations des événements extrêmes. Le principe de cette méthodologie est de profiter de la grande disponibilité spatiale des données observées sur différents sites pour créer des régions homogènes. Cela permet d’estimer des lois statistiques sur des échantillons régionaux plus étendus regroupant tous les événements extrêmes qui ont frappé un ou plusieurs sites de la région (...) Cela ainsi que le caractère particulier de chaque événement historique ne permet pas son utilisation dans une analyse régionale classique. Une méthodologie statistique appelée FAB qui permet de réaliser une analyse régionale tenant en compte les données historiques est développée dans ce manuscrit. Élaborée pour des données POT (Peaks Over Threshold), cette méthode est basée sur une nouvelle définition d’une durée d’observation, appelée durée crédible, locale et régionale et elle est capable de tenir en compte dans l’analyse statistique les trois types les plus classiques de données historiques (données ponctuelles, données définies par un intervalle, données au-dessus d’une borne inférieure). En plus, une approche pour déterminer un seuil d’échantillonnage optimal est définie dans cette étude. La méthode FAB est assez polyvalente et permet d’estimer des niveaux de retour soit dans un cadre fréquentiste soit dans un cadre bayésien. Une application de cette méthodologie est réalisée pour une base de données enregistrées des surcotes de pleine mer (données systématiques) et 14 surcotes de pleine mer historiques collectées pour différents sites positionnés le long des côtes françaises, anglaises, belges et espagnoles de l’Atlantique, de la Manche et de la mer du Nord. Enfin, ce manuscrit examine la problématique de la découverte et de la validation des données historiques
• Research program SSHEAR : recent advances on the understanding and the control of scour phenomena
  
  • Chevalier Christophe
  • Larrarte Frédérique
  • Schmidt Franziska
  • Pham-Van-Bang Damien
  • Durand Edouard
  • Gondret Philippe
  • de La Roque Sidoine
  • Cheetham Mark
  • Hosseingholian Mohsen
  , 2018.
• Cyanobacteria dynamics: Comparison of two different ecological modeling approaches
  
  • Piccioni Francesco
  • Brigitte Vinçon-Leite
  • Hong Yi
  • Casenave Céline
  • Plec Denis
  • Lemaire Bruno J.
  • Li Chenlu
  • Le Hoang-Minh
  • Goutal Nicole
  , 2018. The accelerated changes in land use and human society during the last decades, and the consequent anthropogenic stresses applied to water resources, have led eutrophication to be one of the major freshwater environmental problems. At the same time, the unprecedented rate of climate warming contributed to an increase in frequency, intensity, and duration of cyanobacteria blooms. For these reasons, an ever increasing interest is given by the scientific community to ecological modeling in order to give water quality managers reliable projections for decision making. Numerous ecological models based on various approaches arose in the last decades. However, modeling the dynamics of cyanobacteria in inland water bodies remains a challenging task. This is mostly due to the generalized lack of suitable data, crucial to calibrate and validate model results as well as to keep improving the formulations of models themselves. We analyse here the performances of two different approaches in the modeling of cyanobacteria dynamics by confronting model results to field data. The first ecological model is Aquatic EcoDynamics (AED), a customizable modular model library based on the conceptualization of biogeochemical cycles and limitations in growth rates for numerous phytoplankton functional types in the classic form of ordinary differential equations [1]. The second one is the BLOOM module of the Delft3D modeling suite [2]. It also involves nutrients cycles and growth rates in its formulation, but relies on a competition principle that is able to choose, at every time step and each grid point, the best adapted phytoplankton functional type consistently with the available resources and the existing biomass level. Both ecological models are coupled to three-dimensional hydrodynamic models, Telemac3D and Delft3D-Flow respectively. The study site, Lake Champs-sur-Marne, is a small and shallow urban lake (area 0.12 km², average depth 2.3 m), located in the metropolitan area of Paris and used for bathing and sailing. It suffers from repeated severe blooms of cyanobacteria from spring to fall and since 2015 it has been more regularly monitored with high frequency measurements and bi-weekly surveys. Simulations of both ecological models have been carried out over three consecutive summers during critical blooming periods. The modeling results on each blooming period have been compared to the collected data from Lake Champs in order to evaluate the reliability of their different formulations in the context of future projections under climate change scenarios.
• Improving simulations of extreme skew surges through waves' contributions
  
  • Lalanne Cécile
  • Frau Roberto
  • Andreevsky Marc ;
  • Pham Chi-Tuan ;
  • Raoult Cécile
  • Laborie Vanessya
  • Giloy Nathalie
  , 2018, pp.31 - 38.
• Scour monitoring on bridge pier - methodology and implementation
  
  • Florens Emma
  • Chevalier Christophe
  • Larrarte Frédérique
  • Schmidt Franziska
  • Durand Edouard
  , 2018, 40, pp.8p. Managing the scour risk of civil structures such as bridge piers, constitutes a major challenge to sustainable development and land use planning. The SSHEAR project aims to build optimized diagnostic, warning and management methods to benefit civil structures. This article is focused on the "Field" approach of the project that develop continuous and real-time scour monitoring. Based on theoretical approach and river database analysis, requirement specifications definition allowed to choose relevant devices to monitor scour. To complete this monitoring system, vibration-based monitoring will also be installed. (10.1051/e3sconf/20184003020)
  DOI : 10.1051/e3sconf/20184003020
• A Well-balanced Finite Volume Scheme for Shallow Water Equations with Porosity Application to Modelling of Open-Channel Flow through Rigid and Emergent Vegetation
  
  • Le Minh H.
  • Dubos Virgile
  • Oukacine Marina
  • Goutal Nicole
  , 2018, pp.1-7. Strong interactions exist between flow dynamics and vegetation in open-channel. Depth-averaged shallow water equations can be used for such a study. However, explicit representation of vegetation can lead to very high resolution of the mesh since rigid vegetation is often modelled as vertical cylinders. Our work aims to study the ability of a single porosity-based shallow water model for these applications. More attention on flux and source terms discretizations are required in order to archive the well-balancing and shock capturing. We present a new Godunov-type finite volume scheme based on a simple-wave approximation and compare it with some other methods in the literature. A first application with experimental data was performed.
• Air Entrainment Modeling in the SPH Method: A Two-Phase Mixture Formulation with Open Boundaries
  
  • Fonty Thomas
  • Ferrand Martin
  • Leroy Agnès
  • Violeau Damien
  Flow, Turbulence and Combustion, Springer Verlag, 2018. (10.1007/s10494-020-00165-7)
  DOI : 10.1007/s10494-020-00165-7
• Shallow water numerical models for the 1947 gisborne and 2011 Tohoku-Oki tsunamis with kinematic seismic generation
  
  • Le Gal Marine
  • Violeau Damien
  • Ata Riadh
  • Wang Xiaoming
  Coastal Engineering, Elsevier, 2018, 139, pp.1-15.
• Optimal sponge layer for water waves numerical models
  
  • Carmigniani Rémi Arthur
  • Violeau Damien
  Ocean Engineering, Elsevier, 2018, 163, pp.169-182.
• Optimal sponge layer for water waves numerical models
  
  • Carmigniani Rémi Arthur
  • Violeau Damien
  Ocean Engineering, Elsevier, 2018, 163, pp.169-182.
• Dam spillways and the SPH method: two case studies in Portugal
  
  • Moreira Andreia
  • Leroy Agnès
  • Violeau Damien
  • Taveira-Pinto Francisco
  Journal of Applied Water Engineering and Research, Taylor & Francis Online, 2018, 7 (3), pp.228-245. (10.1080/23249676.2019.1611496)
  DOI : 10.1080/23249676.2019.1611496
• A semi-Lagrangian splitting method for the numerical simulation of sediment transport with free surface flows
  
  • Boyaval Sébastien
  • Caboussat Alexandre
  • Mrad Arwa
  • Picasso Marco
  • Steiner Gilles
  Computers and Fluids, Elsevier, 2018, 172, pp.384-396. We present a numerical model for the simulation of 3D poly-dispersed sediment transport in a Newtonian flow with free surfaces. The physical model is based on a mixture model for multiphase flows. The Navier–Stokes equations are coupled with the transport and deposition of the particle concentrations, and a volume-of-fluid approach to track the free surface between water and air. The numerical algorithm relies on operator-splitting to decouple advection and diffusion phenomena. Two grids are used, based on unstructured finite elements for diffusion and an appropriate combination of the characteristics method with Godunov’s method for advection on a structured grid. The numerical model is validated through numerical experiments. Simulation results are compared with experimental results in various situations for mono-disperse and bi-disperse sediments, and the calibration of the model is performed using, in particular, erosion experiments. (10.1016/j.compfluid.2018.04.002)
  DOI : 10.1016/j.compfluid.2018.04.002
• FULLY NONLINEAR MODELING OF NEARSHORE WAVE PROPAGATION INCLUDING THE EFFECTS OF WAVE BREAKING
  
  • Papoutsellis Christos E
  • Yates Marissa L.
  • Simon Bruno
  • Benoit Michel
  , 2018, 1 (36), pp.78. INTRODUCTION Nearshore wave modeling over spatial scales of several kilometers requires balancing the fine-scale modeling of physical processes with the model's accuracy and efficiency. In this work, a fully nonlinear potential flow model is proposed as a compromise between simplified linear, weakly nonlinear or weakly dispersive models and direct CFD approaches. (10.9753/icce.v36.waves.78)
  DOI : 10.9753/icce.v36.waves.78
• FULLY NONLINEAR MODELING OF NEARSHORE WAVE PROPAGATION INCLUDING THE EFFECTS OF WAVE BREAKING
  
  • Papoutsellis Christos
  • Yates Marissa L.
  • Simon Bruno
  • Benoit Michel
  , 2018, 1 (36). INTRODUCTION Nearshore wave modeling over spatial scales of several kilometers requires balancing the fine-scale modeling of physical processes with the model's accuracy and efficiency. In this work, a fully nonlinear potential flow model is proposed as a compromise between simplified linear, weakly nonlinear or weakly dispersive models and direct CFD approaches. (10.9753/icce.v36.waves.78)
  DOI : 10.9753/icce.v36.waves.78
• Développement d’un modèle numérique non-linéaire et dispersif pour la propagation des vagues en zone côtière
  
  • Raoult Cécile
  • Benoit Michel
  • Yates Marissa L.
  Revue Paralia, Editions Paralia CFL, 2018, 11, pp.n01.1 - n01.14. (10.5150/revue-paralia.2018.n01)
  DOI : 10.5150/revue-paralia.2018.n01
• Projet ANR SSHEAR : développements récents sur la compréhension et la maitrise des risques d'affouillements
  
  • Chevalier Christophe
  • Larrarte Frédérique
  • Schmidt Franziska
  • Pham-Van-Bang Damien
  • Durand Edouard
  • Gondret Philippe
  • de La Roque Sidoine
  • Cheetham Mark
  • Hosseingholian Mohsen
  , 2018, pp.4p. Depuis 2015, le projet ANR SSHEAR (« Sols, Structures et Hydraulique : Expertise et Recherche Appliquée ») met en synergie les compétences de 6 partenaires pour avancer sur la compréhension et la maîtrise des risques d'affouillement. Après une présentation du projet, un premier bilan des résultats obtenus est proposé : développements expérimentaux, modélisation numérique, observations de terrain.
• Reduced basis approximation and a posteriori error bounds for 4D-Var data assimilation
  
  • Kaercher Mark
  • Boyaval Sébastien
  • Grepl Martin
  • Veroy Karen
  Optimization and Engineering, Springer Verlag, 2018, 2018 (3). We propose a certified reduced basis approach for the strong-and weak-constraint four-dimensional variational (4D-Var) data assimilation problem for a parametrized PDE model. While the standard strong-constraint 4D-Var approach uses the given observational data to estimate only the unknown initial condition of the model, the weak-constraint 4D-Var formulation additionally provides an estimate for the model error and thus can deal with imperfect models. Since the model error is a distributed function in both space and time, the 4D-Var formulation leads to a large-scale optimization problem for every given parameter instance of the PDE model. To solve the problem efficiently, various reduced order approaches have therefore been proposed in the recent past. Here, we employ the reduced basis method to generate reduced order approximations for the state, adjoint, initial condition, and model error. Our main contribution is the development of efficiently computable a posteriori upper bounds for the error of the reduced basis approximation with respect to the underlying high-dimensional 4D-Var problem. Numerical results are conducted to test the validity of our approach. (10.1007/s11081-018-9389-2)
  DOI : 10.1007/s11081-018-9389-2
• La base de données TEMPETES : un support pour une expertise collégiale et interdisciplinaire des informations historiques de tempêtes et de submersions
  
  • Giloy Nathalie
  • Duluc Claire-Marie
  • Frau Roberto
  • Ferret Yann
  • Bulteau Thomas
  • Mazas Franck
  • Sauzeau Thierry
  , 2018. Au cours de la dernière décennie, la tempête Xynthia et d'autres ont marqué l'actualité de par leur intensité et les dégâts causés lors de leur passage sur le territoire français. Ces événements peuvent donner l'impression qu'ils n'ont été "jamais vu par le passé", mais le recensement des tempêtes plus anciennes (1953, 1987, 1999…) montre que de tels phénomènes surviennent en fait régulièrement sur le littoral métropolitain. Dès lors, la collecte et l'analyse d'informations historiques apparaissent incontournables pour améliorer la prévention des risques littoraux, en particulier liée à la submersion marine. Afin de mutualiser les informations disponibles en France, une base de données relationnelle et spatiale a été développée au sein de l'IRSN. À ce stade, plus de 650 événements de tempête et/ou de submersion sur le littoral français et des pays voisins ont pu être recensés, sur une période s'étendant de 1500 à nos jours. En parallèle à l'élaboration de cette base de données, un groupe de travail interdisciplinaire s'est constitué. Il intègre des ingénieurs, chercheurs, statisticiens et historiens appartenant à différents organismes. Un axe majeur de travail est l'intégration de nouvelles données historiques issues de diverses archives dans la base de données, ainsi que leur interprétation et la quantification des niveaux marins associés. (10.5150/jngcgc.2018.093)
  DOI : 10.5150/jngcgc.2018.093
• Three-dimensional Modelling of Radionuclides Dispersion in a Marine Environment with Application to the Fukushima Dai-ichi Case
  
  • Bacchi Vito
  • Tassi Pablo
  Environmental Modeling & Assessment, Springer, 2018, 24 (5), pp.457-477. (10.1007/s10666-018-9614-6)
  DOI : 10.1007/s10666-018-9614-6
• Modelling the retreat of a coastal transverse dune under changing wind conditions
  
  • Gabarrou Sylvain
  • Le Cozannet Gonéri
  • Parteli Eric J. R.
  • Pedreros Rodrigo
  • Guerber Etienne
  • Millescamps Bastien
  • Oliveros Carlos
  • Mallet Cyrill
  , 2018. Coastal dunes can move in response to winds and cause serious hazard to human assets. Changes in wind patterns, potentially occurring as a consequence of climate change or variability, could affect rates of aeolian transport and migration velocity of coastal dunes. Understanding the response of coastal dune mobility to changes in transport conditions is a fundamental aspect of coastal zones management. However, most of previous modeling studies were conducted by assuming that aeolian bedforms are subject to a constant wind velocity. In the present work, we perform a modeling study of the mobility of a coastal transverse dune under varying wind velocities based on the example of the Dune du Pilat in Aquitaine. We apply well-established models and empirical formula for aeolian dune migration, including a model previously validated against measurements of real profiles of desert and coastal dunes. The average migration velocity of Pilat dune predicted by the models is about 3m/year, which is in good agreement with in-situ measurements of the dune retreat rates. To test the response of transverse dune mobility to changing winds and the impact of extreme events on dune migration rates, we generate virtual, but still realistic wind time series using a stochastic model. The approach consists in modifying a few parameters of the stochastic model, in order to generate virtual time series with different characteristics than today. The results suggest that more frequent storms have less impacts than more intense winds, but also that both lead to moderate changes in the average dune velocity in
• Spectral properties of the SPH Laplacian operator
  
  • Violeau Damien
  • Leroy Agnès
  • Joly Antoine
  • Hérault Alexis
  Computers & Mathematics with Applications, Elsevier, 2018. (10.1016/j.camwa.2018.02.023)
  DOI : 10.1016/j.camwa.2018.02.023
• Uncertainty Quantification for the Gironde Estuary Hydrodynamics with TELEMAC2D
  
  • Laborie Vanessya
  • Goutal Nicole
  • Ricci Sophie
  • de Lozzo Matthias
  • Sergent Philippe
  , 2018, pp.205-219. (10.1007/978-981-10-7218-5_14)
  DOI : 10.1007/978-981-10-7218-5_14
• Multiphase smoothed particle hydrodynamics approach for modeling soil–water interactions
  
  • Krimi Abdelkader
  • Khelladi Sofiane
  • Nogueira Xesús
  • Deligant Michael
  • Ata Riadh
  • Rezoug Mehdi
  Advances in Water Resources, Elsevier, 2018, 121, pp.189-205. In this work, a weakly compressible smoothed particle hydrodynamics (WCSPH) multiphase model is developed. The model is able to deal with soil-water interactions coupled in a strong and natural form. A Regularized Bingham Plastic constitutive law including a pressure-dependent Mohr-Coulomb yield criterion (RBPMC-αμ) is proposed to model fluids, soils and their interaction. Since the proposed rheology model is pressure-sensitive, we propose a multiphase diffusive term to reduce the spurious pressure resulting from the weakly compressible flow hypothesis. Several numerical benchmarks are investigated to assess the robustness and accuracy of the proposed multiphase SPH model. (10.1016/j.advwatres.2018.08.004)
  DOI : 10.1016/j.advwatres.2018.08.004