lau-ressources, aménagements, environnement

La gestion des sédiments par chasse (2) :Outils d'optimisation et de prévision d'impact

Flushing sediments. Optimisation and impact forecasting tools

par Jean-Pierre BOUCHARDEDF LNHE 1

1 EDF LNHE6, quai Watier78400 Chatou

E-mail: jean-pierre.bouchard@edf.fr

After a short description ofthe complex physical phenomena goveming the release ofsediments when a reservoir is beingflushed. IWO numerical models are presented. The first is based on simple principles ; it enables determining the hydraulicconditions that will ensure optimum efficiency while respecting minimum concentration ofreleased suspended maner. Thesecond one. on the contrary. aims at a precise description of the mechanisms involved in the resuspension and transportof sediment. /t can give as weil some information about warer qualiry deterioration during the flushing. This tool ismainly used to forecast the flushing consequences.

1 • INTRODUCTION

Dans la première partie [1] de cette communication consa­crée à la gestion sédimentaire des réservoirs, l'analyse duretour d'expérience d'opérations de chasses a montré l'intérêtet l'efficacité de ce mode de gestion. Elle a égalementdémontré que le choix des conditions de chasse est le résultatd'un compromis entre de multiples contraintes: hydrologie,capacité de débit des organes d'évacuation, coût, recherched'efficacité._ La volonté de limiter l'impact des chasses sur lemilieu, est un nouvel impératif directement contradictoireavec la recherche d'efficacité, qui complique encore le choixdes modalités de gestion des sédiments.

La définition d'une procédure de chasses revient à doncchoisir des conditions de débit et de niveau compatibles avecla capacité d'écoulement des vannes, qui permettent l'évacua­tion des sédiments avec un coût minimal pour l'exploitationde l'ouvrage et un impact limité sur la rivière aval. Lanécessité d'intégrer ces multiples contraintes dans le choixdes modalités de gestion sédimentaire, a justifié le dévelop­pement d'outils particuliers pour prévoir l'efficacité et l'ir;n­pact des chasses.

U • PHÉNOMÈNES PHYSIQUES MIS EN JEU

Les mécanismes sédimentaires intervenant pendant leschasses sont examinés dans de nombreux ouvrages généraux:[2], [3]; ces phénomènes ont également été observés surmodèle physique par Lai [4]. A partir de l'observations denombreuses chasses et vidanges de retenues à EDF, nousproposons le schéma reproduit sur la figure 1 ci-dessous.

Figure 1 : description schématique de phénomènesphysiques pendant la chasse.

Après une courte phase d'érosion des matériaux près de lavanne de fond, la mise en suspension se développe à partir del'amont du réservoir où les vitesses d'écoulement sont suffi­samment importantes. Les matériaux sont mis en suspensionpar érosion sur le fond mais également par glissement destalus de vase sur les bords de la retenue. Ce mécanisme estrarement décrit et pris en compte dans l'estimation de l'effi­cacité de la chasse mais, il peut contribuer pour une partimportante de la production de suspension comme on peut levoir sur la photographie J.

Les matériaux en suspension progressent dans la retenue,mais fréquemment, les vitesses sont plus faibles dans la partieaval du réservoir aussi, la partie des sédiments la plusgrossière sédimente. Ce dépôt intermédiaire progresse vers lebarrage au fur et à mesure que le niveau s'abaisse et peutéventuellement être expulsé. Dans certain cas, cette expulsionest incomplète et la chasse réalise finalement un tri granulo-

LA HOUILLE BLANCHFJN° 6f7·2001

Article published by SHF and available at http://www.shf-lhb.org or http://dx.doi.org/10.1051/lhb/2001071

LA GESTION DES SÉDIMENTS PAR CHASSE (2): OUTILS D'OPTIMISATION ET DE PRÉVISION D'IMPACT

Photographie 1 : Glissements de talus de vase dans uneretenue de l'Isère pendant une chasse.

métrique où les particules fines sont éliminées tandis que lessables sont déplacés d'amont en aval à l'intérieur de laretenue.

Pour appréhender la complexité des phénomènes physi­ques, deux approches impliquant des niveaux de précisiondifférents ont été tentées. Le premier outil, MOBILI proposeune description simplifiée de l'évolution sédimentaire enconsidérant la forme finale du lit de la rivière, creusée dansles sédiments, lorsqu'un état d'équilibre est atteint. Ce modèle

ne fournit donc pas d'information sur l'évolution au cours dutemps. Par contre sa rapidité de calcul, permet les calculsrépétés, nécessaires aux études d'optimisation. Au contraire,le second modèle, COURLIS, utilisé pour les études d'im­pact, décrit le maximum des différents mécanismes envisagésprécédemment.

III. UN OUTIL D'OPTIMISATION:LE CODE MOBILI

• IIU Description du modèle

La géométrie est discrétisée en sections délimitant des biefsde caractéristiques sédimentaires homogènes. Dans chaquebief, on doit évaluer les caractéristiques du lit à savoir, sapente, sa largeur, la hauteur d'eau et la pente des taluslatéraux. Ce dernier paramètre est indépendant des autres etest calculé comme la limite de stabilité des talus à partir deformules de mécanique des sols. Les trois autres paramètressont déduit de trois équations simples qui expriment:

- Que l'écoulement est uniforme (loi de Strickler) ;

- que l'érosion des fonds est nulle à l'équilibre; c'est à direque la contrainte hydrodynamique de l'écoulement est égale àla contrainte critique d'érosion;

- une loi morphologique tirée des théories du régime quiattribue un rapport constant entre largeur du lit et tirant d'eau.

Les équations et des validations de cette approche pour descas de chasses observées sont présentés dans un article plusdétaillé [5].

A titre d'illustration la figure 2 montre la description par cecode d'une section en travers et son évolution après unechasse.

• 111.2 Optimisation des conditions de chasse à l'aidede MOBILI

La petite retenue du Saillant sur la Vézère, fournit unexemple d'optimisation des conditions de chasse. Ce réservoira une capacité de 0,5 hm3

. En 1994, l'orifice de vidange, defaible diamètre, a été remplacé par une vanne segment degrande capacité afin de pouvoir éliminer progressivement lessédiments contenus dans le barrage.

Le choix du débit de chasse devait satisfaire aux conditionssuivantes:

- assurer l'évacuation du maximum de sédiments,

- être compatible avec la débitance des vannes,

- la chasse devait pouvoir être réalisée en moyenne au moinsune fois par an,

- la concentration en matière en suspension devait êtreinférieure à 0,5 g/l en moyenne pour préserver la vie pisci­

cole.

L'étude de cette retenue a débuté par une campagne decarottage dans les vases; les paramètres du modèle sontdécrits dans l'article [5]. Le volume érodé pendant la chasseest calculé avec MOBILI pour toute une série de couple débit- niveau de la retenue couvrant toutes les conditions de chassepossibles. On construit alors le graphe de la figure 3 quidonne la valeur du volume érodé en fonction du débit et de lacote de retenue soit: V =fJ(Q, Zr).

Sur ce même graphe, on reporte la loi de débit de la vanne.Le domaine situé au-dessus de cette courbe constitue l'ensem­ble des conditions de chasse techniquement réalisables.

Pour prendre en compte la contrainte sur la concentrationon considère que la durée de chasse ne peut excéder 48 hcompte tenu de la forme des hydrogrammes de crue de laVézère. On calcule donc la concentration moyenne en MESen diluant le volume érodé sur le volume d'eau écoulépendant 48 h. Moyennant cette hypothèse, on peut associer àchaque point du graphe V = fJ(Q, Z) une valeur de concentra­tion moyenne soit le graphe C =fz(Q, Z), présenté en des­sous. L'iso valeur correspondant à la concentration limite estreportée sur le graphe V = f, (Q, Z) et détermine une nouvellefrontière du domaine acceptable.

15·,,-r-.,...

Calcul après chasse

o 10 20 30 40 50 60 70 o 10 20 30

Figure 2 : Code MOBILI. Evolu-40 50 60 70 tion d'un profil en travers dans

Dlstance(ml une retenue après une chasse.

LA HOUILLE BLANCHE/N" 617·2001

au-ressources, aménagements, environnement

N 155

Qi Edroded Volume V = '(C,Z)>.!! 152.5"-

"CS1:CIl lSUli)CIla:

147.5

145

100

N 165Qi Mean Coneent tian C= '(C,Z)>.!! UU"-

'èS1:CIl 1511li)CIla:

141.5

1~

i5 llIœ 1~ lSU l'iS zooDiseharge C

Figure 3: Graphe donnant levolume érodé avec les limitescorrespondant à la débitance desvannes et à la concentrationmaximale autorisée.

Enfin, si l'on connaît le coût du m3 d'eau perdu dans lachasse et le coût du volume de retenue récupéré (estimé parexemple relativement à un coût de dragage ou par le gain enproduction), le rapport du volume d'eau sur le volume desédiment évacué qui équilibre ces coûts correspond à uneconcentration. Cette concentration Ceq est la concentrationlimite en dessous de la quelle la chasse n'est plus rentable.

On peut donc tracer sur le graphe l'iso valeur correspon­dante qui détermine la limite supérieure de l'espace Z, Q desconditions de chasses répondant à toutes les contraintes.

Au Saillant, le débit de déclenchement des chasses a ainsiété fixé entre 75 et 150 m3/s, cette condition permet deréaliser en moyenne une chasse par an.

CoteNGF

430

425

420

100 200 300 400 500 600

IV • MODÉLISATION DETAILLEES:LE CODE COURLIS

• IV.I Principes du modèle

Le code Courlis résout de façon couplée les équations de StVenant mono-dimensionnelle et une équation de transport desconcentrations en matière en suspension. Deux concentrationssont considérées: une en éléments fins cohésifs et uneconcentration en sable en suspension. La description desfonds est bidimensionnelle. Le dépôt de sédiment est repré­senté par des couches successives de nature (sable, vase) et depropriétés différentes. Un exemple de profil en travers dansune retenue modélisée avec COURLIS est représenté sur lafigure 3bis. Une présentation détaillée du code et de savalidation ne peut être faite ici, mais on pourra la trouver dansl'article [5]. Deux particularités de ce code méritent cepen­dant d'être soulignées; il s'agit de la modélisation desglissements de talus de vase et de la prise en compte desmélanges de sables et d'éléments fins cohésifs.

LA HOUILLE BLANCHFJN° 617-2001

Figure 3bis : Section en travers dans une retenuemodélisée avec COURLIS.

/v././ Modélisation des glissements de talus:

Le comportement mécanique des vases de retenue a étéétudié dans une thèse de D. Marot [6] ; il propose de décrirele mouvement des vases par un glissement plan sur lesubstratum rocheux. Le profil en travers est divisé selon unmaillage transversal qui recoupe le dépôt de sédiments en unesuccession de tranches. A chaque pas de temps on calculel'équilibre des tranches de terrain par un bilan des forcess'exerçant sur la tranche de terrain. Une procédure particu­lière permet alors de modifier la forme des parties instables duprofil. Elle consiste à appliquer une opération de diffusion surles cotes du terrain. Le résultat est un glissement progressifdes sédiments vers le chenal où ils peuvent alors être érodés.

On peut ainsi reproduire les glissements provoqués parl'émersion des talus de vases et leur déstabilisation parcreusement des pieds de talus par l'écoulement.

LA GESTION DES SÉDIMENTS PAR CHASSE (2): OUTILS D'OPTIMISATION ET DE PRÉVISION D'IMPACT

Masse Masse en tonnes Proportion sable-silt (% sable)* Concentration max. (g/I)

Entrante amont 1 324000 31 % 26

Sortante aval 1255000 17% 10

Bilan + 65 000

IV. J.2 Modélisation du transport de mélange de sableet vase

Les couches de vase de retenue comportent souvent desmélanges de sable et d'éléments fins cohésifs Lorsque lemélange est érodé, sables et éléments fins se trouvent séparéset sont alors transportés différemment: Les éléments finspeuvent sortir, tandis que les sables peuvent décanter dans laretenue. Pour reproduire ce comportement, on considère deuxcouches particulières (une pour les sables et une pour les silts)où s'accumulent les sédiments redéposés dans la retenue. Lessédiments fins sont gérés selon des lois d'érosion et de dépôtpropres aux sédiments cohésifs, tandis que la couche de sableest gérée selon une loi de transport solide saturé: la formuled'Engelund-Hansen.

Cette distinction permet de traiter le tri granulométrique quise produit pendant la chasse.

• IV.2 Simulation des chasses du réservoir de Génissiat

Cet outil est actuellement utilisé pour reproduire les chas­ses du réservoir de Génissiat sur le Rhône. L'aménagement deGénissiat comporte un barrage de 100 m de haut, qui formeune longue retenue étroite de 23 km de long et d'un volumede 60 hm3

. Une chasse est pratiquée tous les 3 ans avec desdébits de l'ordre de 450 m3/s alors que le Rhône a un débitmoyen de 360 m3/s. Le déroulement de l'opération de chasseest compliqué car elle coïncide avec la chasse de retenuessuisses situées plus en amont. Elle se déroule en deux phases:un premier abaissement est destiné à évacuer les sédiments deGénissiat puis le plan d'eau est partiellement remonté pendantle passage des sédiments provenant de la chasse des retenuessuisses. L'ensemble de l'opération est soumis à des contrain­tes environnementales qui imposent de ne pas dépasser uneconcentration en MES de 10 g/I à Génissiat alors que lesconcentrations en amont sont très supérieures du fait desrejets de vases suisses.

Au total l'opération de chasse de 1997 se réduisait au bilansuivant:

Les relevés bathymétriques réalisés avant et après la chassemontrent par ailleurs un important déplacement de matériauxentre la partie amont de la retenue et la partie aval.

Les sédiments de la retenue ont été étudiés par une série decarottage où les divers paramètres sédimentologiques ont été

déterminés: teneur en eau, teneur en sable, granulométrie,cohésion non drainée, limite d'Atterberg.. (la description desparamètres caractérisant les propriétés physiques des vasessont présentés dans l'article [7]). Au total, le dépôt a étédivisé en trois secteurs: A l'amont de la retenue des sablesfins à moyens de diamètre 400 fJm et comportant 6 % d'élé­ment fins; dans la partie médiane des sables fins (140 fJm)avec 16 % de fines et uniquement sur les 3 km les plus aval eten surface, des silts avec une proportion de 30 % de sablefins.

Le calage a porté essentiellement sur les paramètres lesmoins bien connus, à savoir la loi d'érosion des sédimentscohésifs. Il vise à la fois à retrouver l'évolution des concen­trations en matière en suspension en sortie du barrage et àreproduire la variation de la bathymétrie mesurée avant etaprès la chasse. Finalement, les paramètres retenus pour lesdifférentes couches considérées sont indiqués dans le tableauci-après.

La figure 4 présente l'évolution des concentrations en sus­pension de silts et de sables calculée en regard de celle qui aété mesurée pendant la chasse. Cette modélisation sera encorevalidée par comparaison avec les mesures, plus nombreuses,effectuées pendant la dernière chasse en mai 2000.

600 000 800 000Temps(s)

Figure 4 : Evolution des concentrations de sables et desilts pendant la chasse de Génissiat.

Dès à présent, ce modèle montre que la procédure dechasse actuelle tend à trier les sédiments. Les dépôts dans laretenue s'enrichissent progressivement en sables au détrimentdes éléments fins qui sont évacués. A terme, on s'attend

Couche dsosable % éléments fins Concentration Contrainte critique Vitesse de chuteérosion

Sable moyen (amont retenue) 400 fJrn 6% 1550 kg/m3 53 mm/s

Sable fin (milieu retenue) 140/lm 16% 1 140 kg/m3 15 mm/s

Vase (aval retenue) 70% 975 kg/m 3 3 Pa

Couche de dépôt des sables 140 fJm 0% 1400 kg/m3 15 mm/s

Couche de dépôt des sédiments fins 100% 180 kg/m3 0,8 Pa 1 mm/s

LA HOUILLE BLANCBEIN" 61'7-2001

~au-ressources, aménagements, environnement

(1)

•••• -NJl4mr.lIUud

--6-- Nil. CompUltd

..

2.'

o days07111195 17111195 17f1Jl95 01/12195 17112195 2711219' 06/01196 16191196 26101196 O.5JOU96

[NH4 ] = 0,001 [MESf] + 0,5

[1] POIREL A. (2001). - La gestion des sédiments par chasse.Retour d'expérience sur quelques aménagements hydrauliquesalpins. Colloque « La gestion des sédiments de la source à lamer" Société hydrotechnique de France 28-29 mars 2001.

[2] MORRIS G.L. FAN J. (1997). - Reservoir Sedimentation Hand­book, ed. Mc Graw Hill.

[3] BASSON G.R., ROOSEBOOM A. (1997). - Dealing with reservoirsedimentation WRC Report nO TI91/97 Pretoria.

[4] LAI J.S., SHEN H.W. (1996). - Flushing sediment throughreservoirs. Journal of Hydraulic research, Vol. 34, 1996, n° 2.

[5] BOUCHARD J-P., MAUREL F., PETITJEAN A. (1997). - Sedimenta1impact of reservoir emptying. Prediction tools and site investi­gation. Inter. Water research Symposium RTWA Aachen Ger­many.

[6] MAROT D. (1998). - Stabilité des talus de retenue de barrage.Application au site de Grangent. Thèse à l'Université de NantesFrance.

[7] BOUCHARD J.-P., MERLE G. (2000). - Sediment management atEDF reservoirs. Toyoma City, Japan.

[8] MERLE G. (2000). - Sorne environmental aspects of ftushing.Workshop on Sedimentation Management, Toyoma City, Japan.

Figure 5 : Comparaison de concentration enammoniaque calculée et mesurée pendant l'abaissementde la cote de retenue du réservoir de Grangent en 1995.

Dans ce cas, la concentration en NH4 obéissait à larelation:

BIBLIOGRAPHIE

avec: [NH4 ] : la concentration en ammonium en mg/l d'azote[MESf] : la concentration en matière fine en mg/l

Le terme 0,5 correspond à la concentration moyenne des

apports dans l'eau à l'amont du réservoir.

prochainement à ce que de grandes quantités de sable fin

soient émises lors des prochaines chasses; ce qui pourrasoulever des problèmes nouveaux de colmatage des fonds par

les sables à l'aval du barrage.

v • PRÉVISION DE LA QUALITÉ D'EAU

[Pol] = u[MES][Pol] : Concentration en polluant

[MES] : Concentration en sédiment mis en suspensionu : Coefficient de relargage

L'extrapolation de cette relation entre l'essai en laboratoire

et les conditions réelles pendant une chasse est possible pour

certains polluants dont le comportement chimique est suffi­

samment simple et tant que des phénomènes de dégradation

biologique ne sont pas en jeu.

Cette approche peut ainsi être utilisée par exemple pour lemanganèse, l'ammoniaque (tant que son oxydation en nitrite

n'a pas commencé) et pour la consommation d'oxygène tantque l'on s'intéresse à la demande immédiate et non pas à lademande biologique qui intervient avec des temps plus longs.

Moyennant ces restrictions, la relation (1) est alors utilisée

pour calculer le flux de polluant introduit dans l'eau à partirdu flux de sédiments mis en suspension. Le code Courlis peut

alors calculer la concentration en polluant de manière analo­

gue à celle de sédiment en suspension en tenant compte du

fait que les espèces chimiques ne peuvent pas décanter aucours de leur transfert dans la retenue.

Cette approche a été utilisée pour prévoir les concentrationsen ammoniaque lors d'un abaissement du plan d'eau d'une

retenue présentant une forte pollution azotée. La figure 5 ci

dessous, montre les résultats de ce calcul comparé au suivi dela concentration en ion ammonium.

La mise en suspension de sédiments est souvent associée àune dégradation de la qualité de l'eau. Ce point est pluscomplètement détaillé dans l'article de G. Merle [8]. Pourcertaines chasses, les contraintes environnementales portent

donc non seulement sur la concentration en matières en

suspension, mais aussi sur une concentration minimale en

oxygène dissout ou une concentration maximale en polluant:ion ammonium, fer ou manganèse.

Des tests normalisés de relargage de polluants ou deconsommation en oxygène peuvent être faits en laboratoire

sur des échantillons de sédiments. Ils permettent d'établir la

relation entre concentration en polluant et concentration enmatières en suspension:

LA HOUILLE BLANCHF)N° 6/7-2001