Vers l’intégration des structures turbulentes de l’écoulement dans la dynamique d’un cours d’eau à lit de graviers On the integration of turbulent flow structures within the dynamics of a gravelbed river reach. Die Integration der Turbulenz-Strukturen der Strömung in die Dynamik eines Wasserlaufs mit Kiesbett.

Résumé

La compréhension de la dynamique des cours d'eau nécessite la connaissance des interactions qui lient l'écoulement, le transport des sédiments et le développement des formes sur le lit. Ceci implique la caractérisation des structures individuelles présentes dans l'écoulement mais aussi une prise en compte de leur organisation spatiotemporelle dans la section du cours d'eau. Trois structures turbulentes sont fréquemment utilisées pour décrire les écoulements sur lit de graviers : les structures d'éjection au lit, les structures d'échappement à l'aval d'obstacles protubérants et les structures à grande échelle se développant sur toute la tranche de l'écoulement. Il est possible de décrire les mécanismes de formation de ces structures de même que d'envisager leurs interactions dans un écoulement turbulent. Par exemple, les structures à grande échelle changent la dynamique des zones de recirculation à l'aval d'obstacle, ce qui donne naissance à différentes manifestations des structures d'échappement. Il est cependant plus difficile de regrouper ces structures à l'échelle d'une section de rivière. À partir des mécanismes de formation des structures et de leurs interactions, nous illustrons la complexité de l'organisation d'un écoulement à l'échelle d'une section de rivière. Bien que spéculative, cette illustration fait ressortir (1) l'étroite relation entre les échelles de rugosité du lit et les échelles des structures qui organisent l'écoulement ; (2) la présence de zones de production et de dissipation des structures ; et (3) l'anisotropie structurale de l'organisation de l'écoulement caractérisée par des interactions complexes entre les différentes structures. Cet essai souligne que les interactions entre les structures sont tout aussi importante que les structures ellesmêmes dans notre compréhension de l'organisation de l'écoulement.

Abstract

Understanding the dynamics of a river involves knowledge on the interactions between flow, sediment transport and bedform development at a range of scales. This requires the characterisation of flow structures and of the flow organisation at the reach scale. Three types of flow structures have been commonly described in flows over gravel-bed rivers: the bursting motions in the near-bed region (ejections), the shedding motions from the larger protruding particles and the large-scale flow structures which develop in the outer region of the flow. We describe the processes that give birth to these flow structures along with the possible interactions between them. As an example, the passage of large-scale flow structures changes the dynamics of the separation of flow in the wake of an obstacle, thus affecting the manifestation of shedding motions. These processes and interactions are then combined into an illustration of the complex organisation of flow at the scale of a river reach. Although speculative, this illustration highlights that (1) the scales and locations in space of the structures are closely related to the scale and distribution of the roughness elements, (2) the flow is organized into clear zones of production and dissipation of flow structures, and (3) the organization of the flow presents a strong structural anisotropy with complex interactions between the flow structures. This essay outlines that the interactions between flow structures are as important as the presence of the structures themselves in the description of turbulent flows over gravelbed rivers.

Zusammenfassung

Für das Verständnis der Dynamik der Wasserläufe ist eine Kenntnis der Wechselwirkung zwischen der Strömung, der Beförderung der Sedimente und der Entwicklung der Flussbettformen notwendig. Dies schlieβt sowohl die Beschreibung der in der Strömung vorhandenen typischen individuellen Strukturen ein, als auch die Berücksichtigung ihrer räumlich-zeitlichen Organisation im Wasserlaufabschnitt. Drei Turbulenz-Strukturen werden häufig benutzt, um die Strömung auf Kiesbetten zu beschreiben: Strukturen des Auswurfs auf das Bett, Strukturen des Entweichens unterhalb herausragender Hindernisse und Strukturen groβen Umfangs, die sich über den ganzen Bereich der Strömung entwickeln. Es ist möglich, die Mechanismen der Bildung dieser Strukturen zu beschreiben, sowie ihre Wechselwirkungen in einer Turbulenz-Strömung in Betracht zu ziehen. Z.B. verändern die Strukturen groβen Umfangs die Dynamik der Abschnitte des erneuten Flieβens unterhalb eines Hindernisses, was zu einer veränderten Form der Strukturen des Entweichens führt. Doch ist es schwieriger diese Strukturen auf der Ebene eines Flussabschnittes zu gruppieren. Ausgehend von den Mechanismen der Bildung der Strukturen und ihrer Wechselwirkungen stellen wir die Komplexität der Organisation einer Strömung auf der Ebene eines Flussabschnittes dar. Obwohl diese Darstellung spekulativ ist, hebt sie drei Dinge hervor : (1) Die enge Beziehung zwischen dem Umfang der Rauhheit des Bettes und dem Umfang der Strukturen, welche die Strömung organisieren ; (2) die Existenz von Produktionsund Auflösungszonen der Strukturen ; (3) die strukturelle Anisotropie der Organisation der Strömung, bestimmt durch komplexe Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Strukturen. Dieser Essay hebt hervor, dass für das Verständnis der Organisation der Strömung die Wechselwirkungen zwischen den Strukturen ebenso wichtig sind wie die Strukturen selbst.