Vers l’intégration des structures turbulentes de l’écoulement dans la dynamique d’un cours d’eau à lit de graviers

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.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) ...

Effects of environmental fluctuations on fish metabolism: Atlantic salmon Salmo salar as a case study

“…In a gravel‐bed river, natural flow conditions comprise realistic flow structures such as temporal successions of fast and slow‐moving flow events extending over the whole water column [Fig. (a); Buffin‐Bélanger et al , ] that last from 0·5 to 5·0 s and occur at 5–30 s intervals [Fig. (b); Roy et al , ; Enders, ].…”

Hyporheic Exchange in Mountain Rivers I: Mechanics and Environmental Effects

“…2002; Middleton and Southard 1984), and small‐scale wakes of local obstructions on the bed (protruding grains, particle clusters) (Brayshaw et al. 1983; Buffin‐Bélanger et al. 2000b).…”

“…The permeability of riverbeds allows turbulent exchange of momentum between the river and near-surface pore water (Ho and Gelhar 1973;Mendoza and Zhou 1992;Ruff and Gelhar 1972), resulting in hyporheic exchange via turbulent diffusion (Nagaoka and Ohgaki 1990;Packman et al 2004;Shimizu et al 1990) (Figure 6e). Near-bed turbulence is generated by a variety of factors, including large-scale flow structures caused by flow-boundary interactions (Buffin-Bélanger et al 2000a), meso-scale turbulent wakes behind large flow obstructions (bedforms, wood, boulders) (Buffington et al 2002;Middleton and Southard 1984), and small-scale wakes of local obstructions on the bed (protruding grains, particle clusters) (Brayshaw et al 1983;Buffin-Bélanger et al 2000b).…”

Interactions entre les structures d'échappement et les structures à grande échelle dans l'écoulement turbulent des rivières à lit de graviers

“…Le modèle décrit un mécanisme dynamique que l'on peut intégrer dans un tronçon de rivière pour mieux comprendre l'organisation de son écoulement (BUFFIN-BÉLANGER et al, 2000b). L'une des difficultés de la description de cette organisation provient de la variabilité des structures qu'on y retrouve.…”