Schemes to restore fish habitat in rivers often involve installing instream structures such as current deflectors to create and maintain riffle-pool sequences. The presence of deep pools is a critical component of a high-quality physical habitat for fish as they provide shelter and cool temperatures during the summer months. Natural rivers exhibit many complexities that need to be taken into account when implementing instream structures. To improve the success rate of restoration schemes, many of which currently fail or require costly maintenance, we need to develop tools such as numerical modeling to test scenarios prior to installing such structures. The objective of this research is to examine flow dynamics and sediment transport around complex flow deflectors using a combination of field measurements and computational fluid dynamics (CFD). The study reach is in the Nicolet River, Quebec, where several deflectors and excavated pools were implemented between 1995 and 1999 to improve fish habitat. Calibrating and validating a 3-D CFD model requires accurate measurements of hydraulic parameters in the natural river. Acoustic Doppler Velocimetry and Particle Image Velocimetry data were used to calibrate the model during low-flow conditions. A three-dimensional numerical model was then used to simulate both low and high flow (overtopping) conditions. A complex 3-D pattern in the recirculation zones downstream of the deflectors is observed in the overtopping simulations, highlighting the limitations of habitat structure studies based on depth-averaged (2-D) models. Bed load sediment transport was assessed in the field using two methods: tracer rocks (painted particles and passive integrated transponder tags) and sediment traps. These data allow the 3-D model of the study reach to be validated at high-flow (overtopping) conditions. The results show that the simulation can qualitatively predict erosion and deposition zones when installing deflectors for all flow conditions. It is less appropriate to generate quantitative predictions of the threshold of motion of individual particles. However, predicted bed load transport compared well with field measurements obtained from traps when bed shear stress was estimated with the quadratic law. These results suggest that 3-D simulation might be used to estimate the transport rate and pattern of sediment transport. It is hoped that this model will help maximizing deflector efficiency and success rate in future installations. / La restauration de l'habitat du poisson en rivières implique l'installation de structures telles que des déflecteurs de courant afin de créer et de maintenir des conditions de seuils-mouilles. La présence de fosses est une composante essentielle pour assurer la qualité de l'habitat du poisson car elles fournissent un abri et maintiennent une basse température durant les mois d'été. Les rivières naturelles ont des complexités qui doivent être prises en considération lors de l'installation de structures dans un cours d'eau. Afin d'améliorer le taux de réussite et d'éviter des plans de restauration qui échouent ou exigent une maintenance coûteuse, nous devons développer des outils tels que la modélisation numérique pour tester des scénarios avant la mise en œuvre des structures. L'objectif de la présente recherche est de caractériser l'écoulement et le transport de sédiments autour de paires de déflecteurs en utilisant une approche qui combine des mesures de terrain et la modélisation numérique tridimensionnelle (3-D). Le tronçon de rivière étudié est situé sur la rivière Nicolet (Québec), où plusieurs déflecteurs pairés et des fosses creusées ont été mis en place entre 1995 et 1999 afin d'améliorer l'habitat de poisson. La calibration et la validation d'un modèle 3-D exigent des mesures précises de paramètres hydrauliques prises en rivière. Des mesures par vélocimétrie ultrasonique Doppler (ADV) et par vélocimétrie par image de particules (PIV) ont été utilisées pour calibrer le modèle à faible débit. Ce dernier est ensuite utilisé pour simuler l'écoulement à faible débit et à haut débit (déflecteurs submergés). Une structure 3-D complexe est observée dans la zone de recirculation en aval des déflecteurs dans les simulations à haut débit, mettant en évidence les limites des études de structures d'habitat qui sont basées sur des modèles à vitesse moyennée sur la profondeur (2-D). Le transport de la charge de fond a été évalué par deux méthodes : des roches de traçage (particules peintes et étiquettes à transpondeur passif intégré) et des trappes à sédiments. Ces données permettent de valider le modèle 3-D durant les conditions à haut niveau. Les résultats montrent que la simulation permet de prévoir les zones d'érosion et de dépôt de manière qualitative pour toutes les conditions d'écoulement. Le modèle est moins approprié pour produire des prédictions quantitatives de l'initiation du mouvement des particules individuelles. Par contre, le transport de la charge de fond mesuré à l'aide de trappes à sédiments se compare bien avec des contraintes de cisaillement au lit estimées avec l'approche quadratique. Ces résultats suggèrent que des simulations 3-D pourraient servir à évaluer le taux et la distribution du transport des sédiments. Ce modèle aidera à optimiser l'efficacité des déflecteurs et le taux de réussite d'implémentations futures de structures de restauration.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.104547 |
| Date | January 2011 |
| Creators | Carré, David |
| Contributors | Pascale Biron (Supervisor2), Susan J Gaskin (Supervisor1) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Civil Engineering & Applied Mechanics) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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