Passive acoustic detection of bedload transport in rivers. Developping indexes for the assessment of spatial and temporal variability
Développement d’indicateurs de la dynamique spatio-temporelle sédimentaire d’un cours d’eau mesurés par acoustique passive
Résumé
This thesis deals with theoretical and experimental concepts of passive acoustic monitoring of sediment transport in rivers. Hence, the motivation is the use of hydrophones to sense the sound pressure generated by impacts between the sediments that are transported on the bed river. The technique is very cheap and easy to deploy on the field but it lacks of knowledge on the nature of the river soundscape’s acoustic sources. In order to separate the various types of noise sources composing the soundscape, a spectral analysis is frequently used to detect the bedload noise passband. The bedload spectral information is used in this thesis to estimate the transported, or bedload, grain size distribution. The study is based on the physical evidence of the existence of a dependency between the size of impacting particles and the frequency of the impacts. Therefore, the spatial and temporal dynamics of the bedload grain size distributions in gravel rivers will be assessed by developing acoustic spectra indexes.Firstly, the analytic solutions of hertzian impact between two rigid spheres and between a sphere and a slab are studied. The spectrum’s center and peak frequencies are most sensible on the grain size and then on the impact velocity. The analytic solutions and grain size distributions are used to model bedload acoustic spectra. Such model is sensible on the grain size distribution shape followed by the impact velocities of sediments. Its definition does not include non-linear transmission losses, i.e. attenuation with frequency due to scattering and absorption effects, and also the impact velocity is constant no matter the dimension of particles.Secondly, the bedload acoustic model is used for implementing inversion methods to estimate the grain size distributions. Such a method is defined in a least square algebraically framework, named the Non-Negative Least Square method, and uses analytical solutions of hertzian impacts to inverse the acoustic spectra. Field measurements on two large gravel rivers like Isère River, in Grenoble, France, and Drau River, at Dellach, in Austria, revealed coherent results as validated by physical sampling trials of bedload transport. It was observed a spatial variability in the estimated grain size distribution across the Isère River whereas a temporal variability was observed from the inversion of Drau River’s spectra.The previous bedload spectral model is enhanced by including concepts from the physics of fractional transport rate in gravel rivers, of particle saltation model and acoustic models of propagation. One can model acoustic maps of bedload noise from spatializing the impact rates at the reach scale. Here, the model is tests to localize the bedload noise in the Isère River’s cross-section by matching the measured spectra to the modeled ones. The acoustic maps obtained from this model are successfully predicted as validated by the measured maps in the Isère River in Grenoble.
Cette thèse aborde le sujet du monitorage par acoustique passive dans les rivières pour la mesure du transport sédimentaire par charriage. La motivation de la recherche est l’utilisation d’hydrophones déployés dans un cours d’eau pour détecter et mesurer le bruit des sédiments transportés sur le fond de la rivière. La technique est très prometteuse grâce à la facilité de déploiement sur le terrain et aux coûts réduits mais elle est encore déficitaire en méthodologie sur la connaissance du bruit ambiant. Le bruit ambiant est un mélange de sources de bruit parmi lesquelles se trouve le bruit du transport par charriage des sédiments. La classification des bandes passantes des spectres acoustiques permet de séparer les différentes sources acoustiques. Dans cette thèse, on analyse la dynamique du charriage par l’analyse de la variabilité de la bande passante du charriage des spectres acoustiques. Cette variabilité peut être temporelle, sur des chroniques acoustiques, et spatiale sur des mesures en plusieurs points de la section de la rivière.La recherche commence par une analyse théorique sur les solutions analytiques des impacts hertziens entre deux sphères rigides ou entre une sphère et le fond considéré comme une plaque. La sensibilité des fréquences centrales et des pics spectraux est dominée premièrement par les dimensions des particules et secondement par la vitesse d’impact. La solution analytique est utilisée conjointement avec des distributions granulométriques pour définir un modèle linéaire d’addition des spectres. La forme du spectre ainsi modélisé dépend notamment par des caractéristiques statistiques de la distribution granulométrique et de la vitesse d’impact du modèle d’impact. Le modèle spectral est dans un état simplifié parce qu’on suppose une vitesse d’impact uniforme quelle que soit la dimension des particules en collision et également parce qu’on ne considère pas les effets de l’atténuation à cause de la diffusion ou l’absorption des ondes sonores.Le modèle spectral du charriage est utilisé par une méthode d’inversion des densités spectrales de puissances afin d’estimer la distribution granulométrique des sédiments transportés. La méthode d’inversion nommée « Non-Negative Least Square » est purement algébrique car elle est définie comme un problème au sens de moindres carrés avec une contrainte de positivité sur la solution. Les mesures sur deux rivières à graviers, Isère à Grenoble et la Drave, à Dellach en Autriche, donnent des résultats en concordance avec les mesures du transport sédimentaire. On a observé que l’inversion des spectres permet l’analyse de la dynamique des courbes granulométriques estimées tant spatiale (sur l’Isère à Grenoble) que temporelle (sur la Drave à Dellach).Le modèle de charriage est encore développé par l’intégration de la physique du transport sédimentaire, de l’hydraulique et de l’acoustique des impacts. Ce modèle vise l’analyse de spatialité et la temporalité des impacts dans une section de la rivière et donne une approche plus complète au modèle de charriage précédemment présenté. L’identification des spectres modélisés à des spectres simulés permet des modéliser les taux des impacts (et les flux sédimentaires) et la localisation de la bande principale de charriage dans la rivière de l’Isère à Grenoble.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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