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Nbre Annexes :

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Projet : Centrale de Gerstheim - Passe à poissons

Titre : Dossier d’exécution

Rapport de conception & hydraulique piscicoles

IH GERST-PAP DEXE 00002 A BPE

Résumé : Cette note définit la conception générale de la passe à poissons et les critères de dimensionnement à utiliser

pour le génie civil, la mécanique et le contrôle-commande.

Rédaction Vérification Approbation

nom / date sign. Nom / date sign. Nom / date sign.

F. BOUCARD

01.07.2014 K. LINE

01.07.2014

C. MAS

01.07.2014

OTP : E113/RHGC12/IHGERST-PAP Note Technique X Compte Rendu

Classement : Projet Note de calcul

Accessibilité Classification (Cf. procédure IH.PRO.1600)

Confidentiel Seul le destinataire du document peut en prendre connaissance Catégorie 1

Restreint x Document ne pouvant sortir d’EDF sans lettre ou bordereau d'envoi du service émetteur Catégorie 2 x

E.D.F. Document interne non diffusable à l'extérieur sans l’accord du Chef de Service Catégorie 3

Libre Document public Catégorie 4

EDF-CIH IH.GERST-PAP.DEXE.00002 A

Centrale de Gerstheim – Passe à poissons – Dossier d’exécution Rapport de conception & hydraulique piscicoles

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SOMMAIRE

1. OBJECTIFS DE LA NOTE............................... ................................................................................ 6

1.1 CHOIX DE LA SOLUTION........................................................................................................................ 6

1.2 POINTS PARTICULIERS ........................................................................................................................ 7

2. HYDROLOGIE ET NIVEAUX ............................. .............................................................................. 9

2.1 HYDROLOGIE NATURELLE ET INFLUENCEE ............................................................................................. 9

2.2 PLAGE DE FONCTIONNEMENT RETENUE................................................................................................. 9

2.3 NIVEAUX AMONT............................................................................................................................... 10

2.4 NIVEAUX AVAL.................................................................................................................................. 12

2.4.1 Niveau sur la dalle aspirateur (entrée 1) ............................................................................... 13

2.4.2 Niveau en aval des groupes (entrée 2) ................................................................................. 17

2.4.3 Différence de niveau entre les deux entrées ......................................................................... 19

3. CALAGE DE L’ENTREE 1............................... .............................................................................. 20

3.1 PRINCIPE ........................................................................................................................................ 20

3.2 TEST SUR MODELE REDUIT : OBJECTIFS ET DESCRIPTION ...................................................................... 21

3.3 RESULTATS DU MODELE REDUIT ......................................................................................................... 24

3.3.1 Choix de la configuration ...................................................................................................... 24

3.3.2 Descriptif général de l’écoulement ........................................................................................ 25

3.3.3 Respect des contraintes piscicoles ....................................................................................... 26

3.3.4 Résultats complémentaires .................................................................................................. 27

3.3.5 Loi de débitance ................................................................................................................... 29

3.3.6 Conclusion ........................................................................................................................... 29

4. POSITION ET FONCTIONNEMENT DE L’ENTREE 2 .......... ......................................................... 30

5. GALERIES DE LIAISON ............................... ................................................................................ 31

6. CALCUL DE LA REPARTITION DU DEBIT ENTRE LES ENTREES ............................................. 31

6.1 PRINCIPE ........................................................................................................................................ 31

6.2 ENTREE 1 : OPTIMISATION DU NOMBRE DE CLOISONS ........................................................................... 32



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6.3 FONCTIONNEMENT DES DEUX ENTREES ............................................................................................... 32

7. BASSIN DE REPARTITION.............................. ............................................................................. 36

8. DIMENSIONNEMENT DE LA PASSE A BASSINS SUCCESSIFS... .............................................. 37

8.1 DIMENSIONNEMENT DES BASSINS ....................................................................................................... 37

8.2 SIMULATIONS CASSIOPEE .............................................................................................................. 40

9. DIMENSIONNEMENT DE LA PASSE NATURELLE.............. ........................................................ 40

10. AUTRES EQUIPEMENTS.............................................................................................................. 41

10.1 LOCAL DE COMPTAGE VIDEO .............................................................................................................. 41

10.2 DISPOSITIF DE NETTOYAGE DES VITRES .............................................................................................. 42

10.3 BY-PASS POUR L’ALIMENTATION DE LA PASSE NATURELLE ..................................................................... 43

10.4 GRILLE DE PROTECTION ET BY-PASS DE LA VOLEE DE BASSINS AVAL ...................................................... 43

11. STATION DE POMPAGE DU DEBIT D’ATTRAIT ............. ............................................................. 43



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LISTE DES FIGURES

Figure 1 : Vue d’ensemble du projet _____________________________________________________________________7

Figure 2 : Fractiles des débits mensuels du Rhin à Bâle______________________________________________________9

Figure 3 : Relevé du niveau amont Gerstheim au pas de temps 10 minutes du 08/03/2012 au 26/04/2013__________11

Figure 4 : Niveau amont classés à la centrale de Gerstheim (période du 08/03/2012 au 26/04/2013) ______________11

Figure 5 : Schéma d’implantation des sondes de mesure du niveau aval installées en 2012 _______________________12

Figure 6 : Evolution du débit du Rhin à Gerstheim sur la période d’analyse des niveaux aval (mars 2012 à avril 2013) 13

Figure 7 : Relevés horaires NRhin (dalle aspirateur) / QRhin du 08/03/2012 au 28/04/2013 _________________________14

Figure 8 : Durée et répartition mensuelle des épisodes où Ndalle aspirateur < 148,20 pendant plus d’une heure __________16

Figure 9 : Durée et répartition mensuelle des épisodes où Ndalle aspirateur < 148,30 pendant plus d’une heure et moins d’un

jour ______________________________________________________________________________________________17

Figure 10 : Relevés horaires NRhin (aval groupes) / QRhin du 08/03/2012 au 28/04/2013 __________________________18

Figure 11 : Ecart de niveau entre dalle aspirateur et sortie des groupes sur la période de mesure mars à octobre 2012

__________________________________________________________________________________________________19

Figure 12 : Ecoulements en aval de l’usine de Gerstheim dans différentes conditions de débit ____________________21

Figure 13 : Vue en plan du modèle physique de l’entrée 1 __________________________________________________22

Figure 14 : Photos du dispositif expérimental ____________________________________________________________23

Figure 15 : Schéma et photos des différentes configurations testées pour la jonction entre la galerie 1 et la dalle

aspirateur _________________________________________________________________________________________24

Figure 16 : Vue détaillée de la "marche" (configuration 1) constituant le raccord entre la galerie 1 et la dalle aspirateur

__________________________________________________________________________________________________25

Figure 17 : Exemple de ressaut en V sur la dalle, obtenu pour un débit de 2 m3/s et un niveau aval de 148,30 NN ____26

Figure 18 : Exemple de ressaut droit dans le raccord, obtenu pour un débit de 2 m3/s et un niveau aval de 148,50 NN 26

Figure 19 : Hauteur de chute, Nam-Nav (m), en fonction du débit dans la galerie 1 et du niveau aval ______________27

Figure 20 : Vitesse moyenne dans la galerie en fonction du débit de la galerie de l’entrée 1 et du niveau aval _______28

Figure 21 : Vitesse maximales dans le raccord en fonction du débit de la galerie de l’entrée 1 et du niveau aval _____29

Figure 22 : Emplacements des entrées de la passe à poissons _______________________________________________30

Figure 23 : Schéma d’une galerie en palplanches _________________________________________________________31

Figure 24 : Schéma de principe d’une fente à ouverture variable ____________________________________________32

Figure 25 : Ouverture des fentes et fonctionnement hydraulique de l’entrée 1 _________________________________33

Figure 26 : Résultats du modèle numérique avec 3 fentes à ouverture variable_________________________________34

Figure 27 : Résultats du modèle numérique avec 3 fentes à ouverture variable (niveaux extrêmes et points de

fonctionnement) ____________________________________________________________________________________35

Figure 28 : Schéma du bassin de répartition et de la station de pompage _____________________________________36

Figure 29 : Schéma de principe des dissipateurs/répartiteurs _______________________________________________37

Figure 30 : Schéma d’un bassin d’une passe à fentes ______________________________________________________38

Figure 31 : Schémas détaillant la disposition et les dimensions des rugosités de fond par plots dans les passes à bassins

__________________________________________________________________________________________________39

Figure 32 : Extrait de plan du local de comptage vidéo_____________________________________________________42



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LISTE DES TABLEAUX

Tableau 1 : Analyse des données de niveau amont du 08/03/2012 au 26/04/2013______________________________10

Tableau 2 : Niveaux minimum, moyen et maximum sur la dalle aspirateur pour différents débits du Rhin___________14

Tableau 3 : Répartition temporelle des niveaux sur la dalle aspirateur entre mars 2012 et mai 2013 _______________15

Tableau 4 : Nombre d’épisodes où Ndalle aspirateur < 148,20 NN en fonction de la durée ____________________________15

Tableau 5 : Répartition mensuelle des épisodes où Ndalle aspirateur< 148,20 NN pendant plus d’une heure _____________15

Tableau 6 : Nombre d’épisodes où Ndalle aspirateur < 148,30 NN en fonction de la durée ____________________________16

Tableau 7 : Répartition mensuelle des épisodes où Ndalle aspirateur< 148,30 NN pendant plus d’une heure _____________16

Tableau 8 : Niveaux minimum, moyen et maximum en aval des groupes pour différents débits du Rhin ____________18

Tableau 9 : Dimensionnement des bassins _______________________________________________________________38



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1. OBJECTIFS DE LA NOTE

Cette note fait suite à l'étude d'Avant Projet Sommaire. Dans cette partie, le dimensionnement d'un certain nombre d'organes concernant la fonctionnalité de migration piscicole du futur aménagement, est étudié et précisé.

NB : Toutes les cotes/niveaux mentionnés dans ce rapport sont dans le système de nivellement Normal Null (NN). Les

données topographiques 2010 ont été levées dans le système NGF et ramenées au système NN en soustrayant

une constante altimétrique fixée à - 0,52m (zNN = zNGF – 52cm).

1.1 CHOIX DE LA SOLUTION A l'issue de l'avant-projet sommaire, l’option de turbinage du débit d’attrait a été écartée ; la conduite forcée aurait du contourner le poste de transformation en raison de l’exiguïté du site, entrainant de ce fait de fortes pertes de charge sur une hauteur de chute inférieure à celle de la passe-à-poissons de Strasbourg, et augmentant le cout de cette option.

Les éléments suivants sont indiqués pour mémoire, la description détaillée figurant dans la notice technique.

La passe à poissons sera située en rive gauche de la centrale, et contournera le poste de transformation.

Elle comprendra 2 entrées :

- l'entrée 1, située sur la dalle toit des aspirateurs ;

- l'entrée 2, située sur le bajoyer rive droite, à environ 40 m en aval.

La passe sera constituée de 3 tronçons :

- tronçons aval et amont en bassins successifs en béton, avec des chutes de 20 cm

- tronçon intermédiaire contournant le poste par une "passe naturelle".



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Figure 1 : Vue d’ensemble du projet

L'ouvrage sera alimenté par un débit constant d’environ 1,2 m3/s dans la passe à poissons proprement dite, et par un débit d’attrait complémentaire, variable selon le niveau du Rhin en aval de la centrale (entre 9 et 14 m3/s environ). Le débit d'attrait complémentaire sera pompé par une station de pompage implantée en aval de la centrale et injecté via un bassin de répartition et un bassin de transition.

Un local de comptage par suivi vidéo sera implanté dans la partie amont de la passe.

1.2 POINTS PARTICULIERS

Concernant la fonctionnalité et le dimensionnement des ouvrages, les études ont porté sur les points suivants :

1. Analyser et valider les niveaux hydrauliques en amont et en aval de la centrale ;

2. Affiner la conception et le mode de fonctionnement de l'entrée 1 sur la base :

- des résultats d’un modèle physique,

- de l'évaluation de son temps de fonctionnement,

- des résultats de suivi des entrées de Gambsheim.

3. Evaluer la répartition du débit qui s'établira entre les 2 entrées en fonction du débit turbiné et du niveau aval aux 2 entrées et définir le mode de fonctionnement des entrées ;



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4. Affiner la position de l’entrée 2 pour la maintenir le plus loin possible des turbulences dans le canal de fuite et éviter les interactions avec la station de pompage du débit d’attrait ;

5. Affiner la conception du bassin de répartition ;

6. Finaliser la conception hydraulique de la passe à bassins (simulations CASSIOPEE) ;

7. Affiner et optimiser le profil en large et en long de la rivière afin d’améliorer son aspect naturel;

8. Evaluer le besoin d’interrompre le débit de montaison, analyser l’impact associé (en particulier sur la faune et la flore de la passe naturelle) et proposer un niveau de débit minimal à maintenir en cas de maintenance du local de comptage (ou autres…) ;

9. Préciser la nécessité ou non de mettre des grilles sur la prise d’eau de la station de pompage.



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2. HYDROLOGIE ET NIVEAUX

2.1 HYDROLOGIE NATURELLE ET INFLUENCEE

Dans les phases d'études précédentes, une analyse des débits entrants a été menée, à partir de la station de Bâle, qui est considérée comme fiable et constitue une référence pour la chaîne aval du Rhin (les affluents ont un faible débit à l’aval de Bâle, jusqu’à la confluence avec l’Ill qui se situe en aval de Strasbourg)..

Le module du Rhin à Gerstheim (période 1933-2002) est de 1 075 m3/s.

Le régime du Rhin présente un caractère nivo-glaciaire marqué avec des hautes eaux printanières et estivales (de mai à juillet) et des étiages hivernaux. Les principaux quantiles sont présentés sur la figure suivante.

Le débit du Rhin est supérieur à 1500 m3/s durant environ 55 jours par an.

Figure 2 : Fractiles des débits mensuels du Rhin à Bâle

L'hydrologie naturelle du Rhin à l'entrée en France est influencée par des aménagements hydrauliques sur son bassin à l’amont de Bâle. Dans la partie franco-allemande, les centrales sont exploitées au fil de l'eau, avec possibilité d'éclusées lorsque les débits sont compris entre 300 et 1300 m3/s à Bâle.

2.2 PLAGE DE FONCTIONNEMENT RETENUE

La plage de fonctionnement de la passe a été fixée de manière similaire à celles d’Iffezheim, Gambsheim et Strasbourg, à savoir de 500 à 2 000 m3/s environ dans le Rhin. Cette fourchette de débits couvre en moyenne 340 jours par an, soit un fonctionnement quasiment permanent, hors crues et étiage sévère. En pratique, on verra ci-dessous que c'est essentiellement le niveau aval qui conditionne la gamme de fonctionnement de la passe.



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2.3 NIVEAUX AMONT

La cote amont est régulée au barrage. La cote de retenue normale est de 160,00 NN avec une tolérance de ± 0,1 m. Dans certains cas, le niveau peut être abaissé : la retenue peut être utilisée pour des éclusées lorsque le débit du Rhin est inférieur à 1300 m3/s, avec un abaissement maximum de 0,5 m soit 159,50 NN. L’abaissement du bief de Gerstheim est cependant rare, le niveau de ce dernier reste généralement constant lors des éclusées. Entre le 1er novembre et le 30 juin, en dehors des périodes de marche en éclusées, la cote de consigne est abaissée de 0,25 m, soit 159,75 NN, si le débit du Rhin est supérieur à 400 m3/s. Dès que le débit du Rhin à Bâle atteint la valeur de 2 000 m3/s et est croissant, le bief est remonté à la cote normale, soit 160,00 NN.

Le niveau qui nous intéresse pour dimensionner la passe à poissons est le niveau en amont de la centrale. En fonction du niveau au barrage, et en tenant compte des pertes de charge dans le canal (20 cm au maximum), le niveau en amont de la centrale varie théoriquement entre 159,30 et 160,10 NN.

Ce dernier a été enregistré au niveau de la sortie projetée de la future passe. Les données enregistrées toutes les 10 minutes du 08/03/2012 au 26/04/2013 sont illustrées par le tableau et les figures suivantes. Elles représentent 59 606 valeurs (414 jours).

Cote amont centrale inférieure à Nombre de valeurs Pourcentage

159,40 NN 46 0,08 %

159,50 NN 1 151 1,93 %

159,53 NN 2 980 5,00 %

159,55 NN 4 061 6,81 %

159,60 NN 6 327 10,61 %

160,00 NN 3 942 6,61 %

160,02 NN 2 980 5,00 %

160,10 NN 183 0,31 %

160,15 NN 18 0,03 %

160,20 NN 0 0,00 %

Tableau 1 : Analyse des données de niveau amont du 08/03/2012 au 26/04/2013

On considère donc que le niveau amont varie de 159,53 NN à 160,02 NN (quantiles 5 % inférieur et supérieur représentés sur la figure de la page suivante) avec un niveau moyen à 159,85 NN et un niveau médian à 159,89 NN (moyenne et médiane des 59 606 valeurs enregistrées).

Pour le dimensionnement de la passe à poissons, on retient un niveau médian à 159,89 NN et des quantiles 5% à 159,53 et 160,02 NN, soit une variation du niveau amont d’environ 50 cm.



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Figure 3 : Relevé du niveau amont Gerstheim au pas de temps 10 minutes du 08/03/2012 au 26/04/2013

Figure 4 : Niveau amont classés à la centrale de Gerstheim (période du 08/03/2012 au 26/04/2013)



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2.4 NIVEAUX AVAL

Le niveau à l’aval de l’usine de Gerstheim est conditionné par le débit turbiné à l’usine et par la cote de la retenue de Strasbourg.

Pendant la nuit, l’usine de Gerstheim turbine le débit qu’elle reçoit et le niveau à Strasbourg reste stable (si l’aménagement de Strasbourg est transmetteur) ou décroît (si l’aménagement de Strasbourg est récepteur). On doit donc s’attendre à ce que le niveau à l’aval de Gerstheim soit minimum en fin de nuit du fait de l’abaissement possible de la retenue de Strasbourg.

Deux sondes de mesures ont été installées à l’aval de la centrale en mars 2012. Elles sont implantées aux emplacements projetés pour les deux futures entrées de la passe à poissons, à savoir sur la dalle aspirateur et en aval du retour bajoyer (cf. croix rouges sur le schéma suivant).

Figure 5 : Schéma d’implantation des sondes de mesure du niveau aval installées en 2012

Le niveau aval est enregistré toutes les dix minutes en ces deux points, depuis le 08 mars 2012. Les données ainsi relevées ont pu êtres mises en relation avec les données horaires de débits du Rhin à Gerstheim, fournies par le Centre de Conduite Hydraulique (CCH) de Kembs. L’évolution de l’hydrologie du Rhin à Gerstheim sur la période d’analyse des données (mars 2012 à avril 2013) est décrite sur la figure suivante. On voit qu’elle englobe toute la gamme de débits considérée pour le dimensionnement de la passe à poissons.



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Figure 6 : Evolution du débit du Rhin à Gerstheim sur la période d’analyse des niveaux aval (mars 2012 à avril 2013)

2.4.1 NIVEAU SUR LA DALLE ASPIRATEUR (ENTREE 1)

La loi "Niveau du Rhin sur la dalle aspirateur = f (Débit du Rhin)" a été déterminée à partir des données enregistrées au pas horaire du 08/03/2012 au 28/04/2013 (9991 couple Débit/Niveau). Etant donné que le niveau aval ne dépend pas uniquement du débit mais également du niveau de la retenue de Strasbourg, la loi est représentée par un nuage de points (cf. figure suivante). Nous avons tenté de borner cette loi en fixant des niveaux minimum et maximum pour différents débits. Ce bornage exclut quelques valeurs extrêmes mais elles ne sont pas significatives (durée courte) pour le fonctionnement de passe à poissons.

La variation aval la plus couramment observée est d’environ 1 mètre (entre 148 et 149 NN), ce qui est faible par rapport à Strasbourg et Gambsheim (environ 2 mètres). Si on considère les valeurs extrêmes observées, qui correspondent d’une part à des éclusées intervenants sur de faibles débit (500 à 800 m3/s) et pour lesquelles l’aménagement de Strasbourg est récepteur, et d’autre part à de forts débits du Rhin (> 2000 m3/s), la variation aval peut atteindre 1,70 m (147,9 à 149,6 NN). On verra cependant par la suite que ces valeurs extrêmes de niveau aval sont rares et de courte durée.

Mars Avril Mai Juin Juillet Août Sept. Oct. Nov. Déc. Janvier Février Mars Avril



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Figure 7 : Relevés horaires NRhin (dalle aspirateur) / QRhin du 08/03/2012 au 28/04/2013

Sur cette base, on propose le tableau suivant des cotes aval sur la dalle aspirateur :

Débit Rhin m3/s Niveau minimum Niveau moyen Niveau maximum

500 2.4.1.1.1.1.1.1.1 148,00 NN 148,10 NN 148,20 NN

1000 148,20 NN 148,30 NN 148,45 NN

1500 148,35 NN 148,50 NN 148,65 NN

2000 148,70 NN 148,85 NN 2.4.1.1.1.1.1.1.2 149,00

NN

Tableau 2 : Niveaux minimum, moyen et maximum sur la dalle aspirateur pour différents débits du Rhin

Le tableau suivant précise la répartition temporelle du niveau sur la dalle aspirateur en 2012/2013 (exprimée en % du temps où le niveau est inférieur à la valeur indiquée en haut de colonne).



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Limite supérieure 148,00 148,10 148,20 148,30 148,40 148,50 148,60 148,70 148,80 148,90 149,00 149,10

Mars 0 3 28 70 97 100 100 100 100 100 100 100

Avril 0 1 10 29 67 93 99 100 100 100 100 100

Mai 0 0 0 3 15 46 91 99 100 100 100 100

Juin 0 0 0 0 3 15 45 69 81 89 93 96

Juillet 0 0 5 16 33 49 65 74 85 98 100 100

Août 0 1 15 42 80 96 99 100 100 100 100 100

Septembre 0 0 4 19 55 79 88 93 95 97 98 100

Octobre 0 0 3 12 35 58 68 72 75 80 85 90

Novembre 0 7 17 29 54 72 86 95 98 100 100 100

Décembre 0 3 12 25 37 46 54 62 67 79 90 96

Janvier 0 1 9 30 70 90 97 99 100 100 100 100

Février 0 10 28 49 66 74 78 83 90 95 97 97

Mars 0 6 26 59 87 99 100 100 100 100 100 100

Avril 0 0 2 12 30 53 78 89 95 99 100 100

Mai 0 0 0 0 0 14 58 89 99 100 100 100

Moyenne 0 2 11 26 50 67 81 88 92 95 97 98

Tableau 3 : Répartition temporelle des niveaux sur la dalle aspirateur entre mars 2012 et mai 2013

2.4.1.2 Niveaux aval les plus bas

Dans un premier temps, on s’intéresse plus précisément aux épisodes où le niveau aval est inférieur à la cote 148,20 NN , c’est à dire que la hauteur d’eau sur la dalle est inférieure à 30 cm .

On dénombre 1391 épisodes qui représentent une durée cumulée de 46 jours (sur 433 jours). La durée moyenne d’un épisode est de 48 minutes.

Si on ne tient pas compte des épisodes dont la durée est inférieure à 1 heure, on dénombre 207 épisodes qui représentent une durée cumulée de 31 jours (sur 433 jours). La durée moyenne d’un épisode est alors de 3,5 heures.

La répartition des épisodes sur l’année et leur durée sont illustrées par les deux tableaux et le graphique suivants.

Durée épisodes Naval < 148,20 NN

< 1h 1 à 2h 2 à 3h 3 à 4 h 4 à 5 h 5 à 6h 6 à 7h 7 à 8 h 8 à 9 h 9 à 12 h 12 à 24 h > 24 h

Nombre d’épisodes 1 133 150 43 9 15 10 9 9 2 1 8 2

Tableau 4 : Nombre d’épisodes où Ndalle aspirateur < 148,20 NN en fonction de la durée

Mois Mars Avril Mai Juin Juil. Août Sept. Oct. Nov. Déc. Janv. Fév. Mars Avril Mai

Nombre d'épisodes

30 21 1 0 7 25 6 2 16 19 17 25 34 4 0

Tableau 5 : Répartition mensuelle des épisodes où Ndalle aspirateur< 148,20 NN pendant plus d’une heure



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Figure 8 : Durée et répartition mensuelle des épisodes où Ndalle aspirateur < 148,20 pendant plus d’une heure

On s’intéresse ensuite aux épisodes où le niveau aval est inférieur à la cote 148,30 NN, c’est à dire que la hauteur d’eau sur la dalle est inférieure à 40 cm .

On dénombre 2496 épisodes qui représentent une durée cumulée de 115 jours (sur 433 jours). La durée moyenne d’un épisode est de 1 heure.

Si on ne tient pas compte des épisodes dont la durée est inférieure à 1 heure, on dénombre 434 épisodes qui représentent une durée cumulée de 87 jours (sur 433 jours). La durée moyenne d’un épisode est alors de 4,8 heures.

Leur répartition sur l’année et leur durée sont illustrées par les deux tableaux et le graphique suivants.

Durée épisodes Naval < 148,30 NN

< 1h 1 à 2h 2 à 3h 3 à 4 h 4 à 5 h 5 à 6h 6 à 7h 7 à 8 h 8 à 9 h 9 à 12 h 12 à 24 h > 24 h

Nombre d’épisodes 1998 223 75 34 29 20 28 16 22 27 21 3

Tableau 6 : Nombre d’épisodes où Ndalle aspirateur < 148,30 NN en fonction de la durée

Mois Mars Avril Mai Juin Juil. Août Sept. Oct. Nov. Déc. Janv. Fév. Mars Avril Mai

Nombre d'épisodes

74 38 3 1 23 59 30 14 21 23 44 28 60 16 0

Tableau 7 : Répartition mensuelle des épisodes où Ndalle aspirateur< 148,30 NN pendant plus d’une heure




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Figure 9 : Durée et répartition mensuelle des épisodes où Ndalle aspirateur < 148,30 pendant plus d’une heure et moins d’un jour

Remarque : A noter 2 épisodes d’une durée cumulée d’environ 5 jours chacun, en novembre 2012 et février 2013, non représentés sur le graphique ci-dessus.

2.4.1.3 Analyse des résultats

On constate que les épisodes de "bas niveaux" sont principalement concentrés durant la période hivernale (novembre à mars). Ils se produisent donc en dehors de la période de migration de la majorité des espèces piscicoles. Les saumons, qui migrent toute l’année, et les truites de mer, qui migrent de juin à janvier, peuvent éventuellement être impactés par ces épisodes. Cependant, on remarque qu’ils sont généralement de courte durée et surtout, qu’ils se produisent principalement en fin de nuit (en lien avec le niveau bas à Strasbourg lorsque cet aménagement fonctionne en récepteur). Or, si on regarde les passages horaires des saumons et truites de mer dans les passes d’Iffezheim et Gambsheim on voit que les saumons et les truites de mer migrent essentiellement durant la journée.

2.4.2 NIVEAU EN AVAL DES GROUPES (ENTREE 2)

La loi "Niveau du Rhin en aval des groupes = f (Débit du Rhin)" a été déterminée à partir des données enregistrées au pas horaire du 08/03/2012 au 28/04/2013 (9991 couple Débit/Niveau). Etant donné que le niveau aval ne dépend pas uniquement du débit mais également du niveau de la retenue de Strasbourg, la loi est représentée par un nuage de points (cf. figure suivante). Nous avons tenté de borner cette loi en




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fixant des niveaux minimum et maximum pour différents débits. Ce bornage exclut quelques valeurs extrêmes mais elles ne sont pas significatives (durée courte) pour le fonctionnement de passe à poissons.

La variation aval la plus couramment observée est d’environ 1,1 mètre (148,1 à 149,2 NN). Si on considère les valeurs extrêmes observées, qui correspondent d’une part à des éclusées intervenants sur de faibles débit (500 à 800 m3/s) et pour lesquelles l’aménagement de Strasbourg est récepteur, et d’autre part à de forts débits du Rhin (> 2000 m3/s), la variation aval peut atteindre 1,90 m (147,9 à 149,8 NN).

Figure 10 : Relevés horaires NRhin (aval groupes) / QRhin du 08/03/2012 au 28/04/2013

Sur cette base, on propose le tableau suivant des cotes en aval des groupes :

Débit Rhin m3/s Niveau minimum Niveau moyen Niveau maximum

500 148,10 NN 148,20 NN 148,30 NN

1000 148,35 NN 148,45 NN 148,60 NN

1500 148,55 NN 148,70 NN 148,85 NN

2000 148,90 NN 149,10 NN 149,20 NN

Tableau 8 : Niveaux minimum, moyen et maximum en aval des groupes pour différents débits du Rhin

Nota : On retiendra pour le dimensionnement fonctionnel de la passe les cotes aval de 148,20 et 149,10 NN (niveau moyen) respectivement pour 500 et 2000 m3/s.



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2.4.3 DIFFERENCE DE NIVEAU ENTRE LES DEUX ENTREES

Il existe un écart de niveau entre les deux points de mesure aval, compris entre 0 et 25 cm.

Le niveau à l'entrée 1 est généralement inférieur à celui de l'entrée 2 en raison de la dépression en sortie d'aspirateur.

On peut dégager du graphique suivant les tendances suivantes :

- l'écart de niveau est compris entre 0 et 15 cm pour les niveaux aval inférieurs à 148,20 NN sur la dalle ;

- l'écart de niveau est compris entre 0 et 25 cm environ entre 148,20 et 148,60 NN sur la dalle ;

- l'écart de niveau est compris entre 15 et 25 cm pour les niveaux aval supérieurs à 148,60 NN sur la dalle.

Figure 11 : Ecart de niveau entre dalle aspirateur et sortie des groupes sur la période de mesure mars à octobre 2012



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3. CALAGE DE L’ENTREE 1

3.1 PRINCIPE

Le principe général d’implantation des entrées des passes à poissons est de les placer au plus près de la limite amont de migration des poissons. Dans le cas de Gerstheim, cette limite est constituée par la sortie des turbines ; les écoulements y étant cependant assez rapides et agités, il a été admis à Iffezheim et Gambsheim que cette zone serait accessible principalement aux grands salmonidés, du moins par fort débit. L’expérimentation menée en 2010 et 2011 sur les entrées de Gambsheim avec des salmonidés marqués, a permis de préciser ces comportements.

Les résultats de cette étude confirment l'importance de l'entrée située au-dessus des aspirateurs :

"Les entrées les plus utilisées sont les entrées 1 et 2 situées au-dessus des aspirateurs des turbines, surtout lors de la première arrivée des poissons dans la passe où la quasi-totalité des poissons (13/14 = 93%) rentrent par l’une de ces deux entrées. Leur attractivité prépondérante à l’échelle du site a bien été mise en évidence sur les 3 poissons marqués à Gambsheim et relâchés au voisinage immédiat de l’entrée 3 qui sont rentrés très rapidement par les entrées 1 et 2. Lors d’incursions multiples avec sortie de la passe, les passages par les entrées 1 et 2 sont encore majoritaires bien qu’en moindre proportion (81% des entrées par E1 ou E2). Les poissons ne semblent pas avoir de difficultés à emprunter ces entrées pour une faible profondeur d’eau (1,4 m) au dessus des aspirateurs." [1]

Une seconde expérimentation menée en 2012 et 2013, toujours sur les entrées de Gambsheim mais avec cette fois-ci des cyprinidés marqués, montre que l’entrée située sur la dalle des aspirateurs est également importante pour les espèces holobiotiques. Les conclusions sont les suivantes :

"Un critère de dimensionnement important a pu être investigué : le positionnement des entrées. De façon surprenante, l’entrée située en berge n’a pas concentré la majorité des entrées de cyprinidés dans la passe. Bien qu’il puisse y avoir une sélectivité de l’ouvrage concernant les grands individus et que le franchissement des petits individus n’a pas été investigué, toutes les espèces de cyprinidés à effectif marqué important (Barbeaux, Brèmes et Hotus) sont majoritairement entrées dans la passe de Gambsheim par les entrées situées au dessus des aspirateurs des turbines (76,6 % des entrées). Bien entendu, des entrées en berge ont été enregistrées, mais elles ne sont pas majoritaires en termes d’effectifs. Les brèmes ont le plus utilisé cette entrée (41,2 % de leurs premières entrées en berge), puis ce sont les hotus (29 %) et enfin les barbeaux (7,6 %)." [2]

A Gerstheim, la dalle des aspirateurs est calée à 147,90 NN, ce qui est relativement plus haut que sur les centrales d’Iffezheim et Gambsheim ; elle peut donc se trouver faiblement immergée pour les niveaux les plus bas, particulièrement en fin d’éclusée. En revanche, contrairement à Strasbourg, elle ne se trouve jamais hors d’eau. Le tirant d’eau, qui reste modéré, empêche des circulations importantes d’eau venant des émergences des groupes. Le plan d’eau au-dessus des aspirateurs est donc toujours assez calme, de telle sorte qu’un jet sortant sur la dalle sera facilement perceptible par les migrateurs. Cette particularité rend le jet d'entrée très visible à Gambsheim.



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Figure 12 : Ecoulements en aval de l’usine de Gerstheim dans différentes conditions de débit

On a pris pour hypothèse que, pour que les poissons puissent circuler sur la dalle, il faut un tirant d’eau minimum de 0,4 m, soit un niveau aval au droit de l'entrée 1 à 148,30 NN. En-dessous de cette valeur, l'entrée sera moins fonctionnelle.

Si on se reporte à l'analyse des niveaux aval sur la dalle aspirateur (cf. § 2.4.1.), on peut estimer que le niveau est inférieur à cette valeur environ 25% du temps en moyenne sur l’année. La période où le tirant d’eau est le plus fréquemment inférieur à 40 cm s’étale d'octobre à mars (niveau inférieur à 148,30 sur la dalle aspirateur pendant 40 % du temps environ). La période d’avril à septembre est plus favorable (niveau inférieur à 148,30 sur la dalle aspirateur pendant 15% du temps environ).

En conclusion, bien que l'entrée 1 présente l’inconvénient de ne pas être toujours accessible, elle pourra être très attractive par la qualité du jet provenant de l’entrée de la passe, dès que le tirant d’eau sera suffisant pour la circulation des poissons.

Les conditions de débit, de chute et de niveau aval ont été définies par une étude sur modèle réduit, présentée ci-après.

3.2 TEST SUR MODELE REDUIT : OBJECTIFS ET DESCRIPTI ON

Etant données les faibles valeurs que peut prendre le niveau aval sur la dalle aspirateur, l'écoulement du débit de cette entrée pourrait être de type très particulier. Le jet issu de la passe risque de s’étaler sur la dalle et d’être précédé d’un ressaut rendant l’accès à cette entrée difficile.

Il n'est pas possible de vérifier par le calcul les conditions de franchissabilité et d'attractivité de cet écoulement pour les poissons. C'est pourquoi il a été décidé de réaliser un modèle physique de cette partie de la passe à poissons. Cette étude a été demandée à EDF-LNHE (laboratoire de Chatou).

Les objectifs de cette étude sont les suivants :

- vérifier le respect des contraintes piscicoles (hauteur de chute, tirant d’eau minimal, vitesses débitantes) ;

- déterminer le débit transitable par l'entrée 1 en fonction du niveau aval ;

- caractériser les écoulements (ressauts, zones de recirculations et de turbulences) ;

- établir la loi de débitance de l’entrée (exprimer le débit de cette entrée en fonction des niveaux amont et aval à l’entrée) ;

- proposer des aménagements pour améliorer son attractivité (déflecteur, redimensionnement de la marche).



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Le modèle physique est réalisé à l’échelle 1/8ème en similitude de Froude. Cette échelle permet de représenter :

- la partie aval de la galerie d’amenée;

- la zone dite de raccordement entre la galerie et la dalle aspirateur, qui sera intitulée « raccord » dans la suite du rapport ;

- la dalle aspirateur dans son ensemble (83,6 m de long pour 13,90 m de largeur).

Figure 13 : Vue en plan du modèle physique de l’entrée 1



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Figure 14 : Photos du dispositif expérimental

Les essais ont été réalisés en imposant le débit (dans une gamme de 1 à 5 m3/s) et le niveau aval (de 148,30 à 149,10 NN) afin de mesurer les niveaux d’eau en amont et en aval du raccord entre la galerie et la dalle aspirateur.

Trois types de configuration ont été testés. Elles diffèrent selon la longueur de la marche dans le raccord et la forme de son arête.

- Configuration 01 : la marche (arête vive) est située à 2 m en amont de l’entrée du raccord.

- Configuration 02 : par rapport à la configuration 01, la longueur de la marche est raccourcie d’un mètre et son arête est biseautée de manière à réduire les vitesses en augmentant le tirant d’eau. De plus, un déflecteur a été installé pour supprimer l’apparition de la zone de recirculation formée à droite du jet sortant.

- Configuration 03 : la longueur de la marche est d’un mètre (idem config 02) mais son arête est vive (idem config 01). Le déflecteur est présent (idem config 02).

Dalle aspirateur

Galerie

Configuration 01

Configuration 02

Configuration 03



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Figure 15 : Schéma et photos des différentes configurations testées pour la jonction entre la galerie 1 et la dalle aspirateur

3.3 RESULTATS DU MODELE REDUIT

3.3.1 CHOIX DE LA CONFIGURATION

- Configuration 01 :

Deux types de ressauts ont été identifiés, le premier (type A) se développe sur la dalle à l’extérieur du raccord pour les niveaux aval les plus bas (à débit fixé) tandis que le second (type B) se forme dans le raccord, entre la marche et l’entrée.

Une zone importante de recirculation a été identifiée à droite de la sortie du raccord.


Le déflecteur a permis de supprimer la zone de recirculation formée à droite du jet sortant et de renforcer la puissance du jet.

Quelque soit le débit considéré, le ressaut se développe toujours sur la dalle. Sa position varie en fonction du niveau aval imposé (à débit fixé) : il remonte vers l’amont lorsque le niveau aval augmente.


Quelque soit le débit considéré, le ressaut se développe toujours sur la dalle. Sa position varie en fonction du niveau aval imposé (à débit fixé) : il remonte vers l’amont lorsque le niveau aval augmente.

Le bon fonctionnement lié aux aspects piscicoles de ces trois configurations a été discuté par le groupe d’experts formé pour la problématique des passes à poissons du Rhin (M. Larinier, F. Travade et JP. Bouchard). Au cours de la réunion technique du 10/02/2014, le groupe de travail (CIH + experts + LNHE) a conclu que la configuration 01 créait les conditions hydrauliques propices au franchissement piscicole en plus de satisfaire au mieux les contraintes de génie civil (épaisseur de béton plus importante du seuil).

C’est donc la configuration 01 qui est retenue.

Configuration 01 Configuration 02 Configuration 03



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Figure 16 : Vue détaillée de la "marche" (configuration 1) constituant le raccord entre la galerie 1 et la dalle aspirateur

Seuls les résultats relatifs aux tests de la configuration 01 sont synthétisés dans les paragraphes suivants.

3.3.2 DESCRIPTIF GENERAL DE L ’ECOULEMENT

Pour tous les débits, le jet sur la dalle en sortie de galerie est légèrement dévié sur la droite par rapport à l’orientation du raccord galerie/dalle. Cette déviation est certainement due aux effets centrifuges générés par le coude le plus en aval de la galerie. Le jet est bien conservé le long du bajoyer et reste perceptible loin de la galerie.

Au niveau de la marche, l’écoulement se "décolle" en paroi gauche (cf. figure 17, à droite, ellipse verte). Les effets d’inertie (centrifuges) sont encore vraisemblablement responsables de ce phénomène.

Une zone de recirculation s’établit à droite de l’entrée de la galerie (cf. figures suivantes, tracé rouge).

Globalement, deux types de ressauts sont observés en fonction du débit et du niveau d’eau aval imposés :

1. Ressaut ondulé en forme de "V" (vue de dessus, i.e. la crête du ressaut n’est pas rectiligne) qui se développe sur la dalle en-dehors du raccord galerie/dalle (cf. figure 17) ;

2. Ressaut droit (crête rectiligne, perpendiculaire à l’écoulement et donc à la galerie) qui se forme dans le raccord entre la marche et l’entrée du raccord (cf. figure 18).



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Figure 17 : Exemple de ressaut en V sur la dalle, obtenu pour un débit de 2 m3/s et un niveau aval de 148,30 NN

Figure 18 : Exemple de ressaut droit dans le raccord, obtenu pour un débit de 2 m3/s et un niveau aval de 148,50 NN

Il est important de rappeler que cette configuration a été testée sans déflecteur alors que ce dernier sera installé. On a pu vérifier sur les configurations 02 et 03 qu’un déflecteur identique à celui de Strasbourg permettait de supprimer la zone de recirculation formée et de renforcer la puissance du jet.

3.3.3 RESPECT DES CONTRAINTES PISCICOLES

3.3.3.1 Hauteur de chute et type de ressaut

La chute est définie par la différence entre le niveau aval imposé sur la dalle et le niveau amont dans la galerie. Comme le montre la figure suivante, à débit fixé, la hauteur de chute diminue lorsque le niveau aval augmente. A niveau aval donné, la chute augmente avec l’augmentation du débit.

A débit fixé, la morphologie du ressaut varie en fonction du niveau aval. Pour les plus bas niveaux, un ressaut en "V" se forme sur la dalle et la chute est alors élevée. Le niveau aval augmentant, le ressaut migre vers l’amont, i.e. vers l’entrée du raccord. Pour les chutes de 20 à 30 cm, le ressaut se place généralement au niveau de l’entrée du raccord.

Les ressauts droits sont a priori les plus acceptables d’un point de vue piscicole puisqu’ils limitent l’emprise de la zone où les vitesses sont les plus fortes. Cette zone correspond aux tirants d’eau les plus bas à l’amont du ressaut. Pour les ressauts droits, cette zone est limitée longitudinalement entre la marche et l’entrée du raccord, alors que pour les ressauts en "V", cette zone s’étend de la marche jusque sur la dalle. Par ailleurs, les ressauts en "V" n’étant pas perpendiculaires à l’écoulement, les poissons risqueraient d’être perturbés par l’orientation du ressaut par rapport à l’écoulement principal.



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Figure 19 : Hauteur de chute, Nam-Nav (m), en fonction du débit dans la galerie 1 et du niveau aval

3.3.3.2 Tirant d’eau minimal

Le tirant d’eau minimal suit grosso modo une relation linéaire du niveau aval et ce, quelque soit le débit considéré. Lorsque le ressaut est en "V", le tirant d’eau minimal est mesuré sur la dalle et dans le raccord lorsque le ressaut est droit.

Cette contrainte est assez faible dans le sens où le niveau aval conditionne très largement le tirant d’eau minimal. Pour un niveau aval supérieur à 148,40 NN, le tirant d’eau est toujours acceptable (> 40 cm) mis à part pour le débit Q = 2 m3/s.

3.3.4 RESULTATS COMPLEMENTAIRES

3.3.4.1 Vitesse d’écoulement dans la galerie

Connaissant la géométrie de la galerie et le débit y transitant, la mesure de la hauteur dans la galerie à l’aide des pointes limnimétriques permet de calculer directement la vitesse moyenne dans la section (cf. figure suivante). Pour ce calcul, c’est la largeur minimale entre les créneaux des palplanches qui est utilisée comme référence, soit une largeur de 2.20 m.

Pour un débit donné, les variations de vitesse sont faibles. En effet, la hauteur de pelle de 1,40 m (différence des niveaux de la dalle et du fond de la galerie) est bien plus importante que les hauteurs de chute (de l’ordre de 30 cm) pour une largeur de galerie uniforme.

ressauts en "V"

ressauts droits



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Pour les débits supérieurs à 3 m3/s, les vitesses dépassent 0,6 m/s. Mais compte tenu des hétérogénéités de l’écoulement dans la galerie, des zones de faibles vitesses à l’abri des créneaux pourraient a priori être trouvées et des zones d’écoulement plus intenses se formeront au centre ou à l’extrados de la galerie.

Figure 20 : Vitesse moyenne dans la galerie en fonction du débit de la galerie de l’entrée 1 et du niveau aval

3.3.4.2 Vitesse maximale dans le raccord

Dans le raccord, les vitesses maximales sont calculées par la mesure des tirants d’eau les plus faibles. Lorsque le ressaut se forme sur la dalle, le calcul de la vitesse maximale n’est plus possible puisque la largeur d’écoulement de référence n’est plus définissable. Une mesure directe serait alors nécessaire, mais les hauteurs d’eau sur modèle physique sont trop faibles pour pouvoir utiliser de manière fiable le moulinet de 5 cm de diamètre.

On se borne donc à donner les vitesses maximales dans le raccord. Lorsque le ressaut s’établit sur la dalle, la vitesse maximale est calculée au niveau de l’entrée du raccord pour donner un ordre de grandeur des vitesses. Sur la dalle, les vitesses dépasseront cette valeur maximale calculée dans le raccord à mesure que le tirant d’eau diminue avant l’établissement du ressaut hydraulique.

De manière générale, ces vitesses sont très élevées. Pour un débit donné, plus le niveau aval est bas, plus le tirant d’eau minimal est faible et donc plus les vitesses sont fortes. On peut également relier les vitesses maximales à la hauteur de chute : plus la chute est élevée, et plus la vitesse est forte.



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Figure 21 : Vitesse maximales dans le raccord en fonction du débit de la galerie de l’entrée 1 et du niveau aval

3.3.5 LOI DE DEBITANCE

Une loi de débitance applicable aux seuils épais est adaptée à la configuration du raccord afin d’exprimer le débit transitant au travers de l’entrée en fonction de la charge hydraulique en aval, Hav (m), et en amont du raccord, Ham (m).

En effet, la marche peut être assimilée à un seuil infini épais avec une augmentation immédiate du fond de 146,50 à 147,90 NN et une arête vive à largeur constante.

Selon les configurations hydrauliques, l’écoulement sur la marche peut être de type noyé ou dénoyé selon la valeur du rapport Hav/Ham.

3.3.6 CONCLUSION

Pour la configuration retenue, la marche (arête vive) est située à 2 m en amont de l’entrée du raccord. Deux types de ressauts ont été identifiés, le premier (type A) se développe sur la dalle à l’extérieur du raccord pour les niveaux aval les plus bas (à débit fixé) tandis que le second (type B) se forme dans le raccord, entre la marche et l’entrée. Une zone importante de recirculation a été identifiée à droite de la sortie du raccord.

La mise en place d’un déflecteur (mur guide eau) identique à celui de Strasbourg permettra d'éviter la zone de recirculation identifiée à droite de la sortie du raccord et de renforcer l’attractivité du jet sortant de l’entrée 1.



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4. POSITION ET FONCTIONNEMENT DE L’ENTREE 2

Dans les phases d'étude précédentes, les écoulements en aval de la centrale ont été observés pour déterminer le nombre et la position des entrées de la passe.

Sur la base de ces observations, il est apparu qu’il n’était ni possible ni intéressant d'implanter 3 entrées (en berge, près des aspirateurs et dans une position intermédiaire). En effet, l'entrée intermédiaire devrait se trouver à environ 40 m en aval de la limite du radier, préférablement orientée en biais vers l’aval pour avoir un jet qui ne soit pas repoussé par la turbulence des groupes (intumescences et cisaillement le long du bajoyer). Cette configuration se rapproche alors beaucoup de la position "en berge". Ces deux positions ont donc été regroupées pour définir une entrée dénommée "entrée 2".

La particularité du pompage du débit d’attrait a conduit à des réflexions des experts sur la position exacte de l’entrée 2. En effet, la station de pompage ne pouvant être repoussée trop en aval en raison du coût que cela génèrerait, l’interférence avec l’attractivité de l’entrée 2 a été étudiée. A l’issue de la réunion du 10/02/2014 entre les experts (M. Larinier, F. Travade, JP. Bouchard), les ingénieurs d’EDF (CIH et R&D) et les ingénieurs d’HYDRATEC (station de pompage), il a été décidé de placer l’entrée 2 dans le retour du bajoyer (cf. figure suivante) et de modifier les formes et les positions du bassin de répartition et des galeries aval. Cette position permet d’éviter à la fois que le jet de l’entrée 2 soit repoussé par la turbulence des groupes et également que la station de pompage perturbe l’attractivité de ce jet.

Cette entrée sera alimentée avec un débit variable (de 9 à 12 m3/s environ) de l'ordre des 3/4 du débit total.

Figure 22 : Emplacements des entrées de la passe à poissons

L’entrée 2 sera équipée de 2 vannes automatiques de 2,2 m soit une longueur déversante de 4,4 m.

La vanne automatique régule le niveau pour maintenir une chute de 0,25 m à l’entrée 2.

Entrée 1

Entrée 2



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5. GALERIES DE LIAISON

Les galeries aval relient les entrées de la passe à poissons au bassin de répartition (cf. figure précédente).

Le débit total transitant dans l’ensemble des galeries est la somme du débit de la passe (≈ 1,2 m3/s), du débit d’attrait complémentaire injecté dans le bassin de transition (2,3 m3/s, cf. §. 7) et du débit d’attrait complémentaire injecté dans le bassin de répartition (6,9 à 11,5 m3/s).

Le dimensionnement des galeries s'est fait principalement sur un critère de vitesse moyenne d'écoulement. Le critère général utilisé sur toutes les passes à poissons en France est de 0,3 à 0,6 m/s mais étant donnée la configuration des galeries (cf. figure suivante), on tolèrera une vitesse maximale plus élevée, de 0,8 m/s en moyenne. En effet, les galeries seront réalisées en palplanches, ce qui génèrera :

- une augmentation de la largeur moyenne, prise à 2,2 m dans les calculs, alors qu’elle évoluera en réalité entre 2,2 et 3,1 m (cf. figure suivante) ;

- une réduction des vitesses à proximité des parois, générée par les singularités ;

- des zones plus calmes à l’aval des rétrécissements générés par les "créneaux" des palplanches.

Figure 23 : Schéma d’une galerie en palplanches

La vérification du critère de vitesse pour les différents débits transitant dans les galeries a été effectuée sur le modèle numérique sous SCILAB, utilisé pour l’optimisation de la répartition des débits dans les galeries (cf. paragraphe suivant).

6. CALCUL DE LA REPARTITION DU DEBIT ENTRE LES ENTR EES

6.1 PRINCIPE

Après l’analyse des conditions extérieures à prendre en compte et des contraintes à respecter aux deux entrées, le fonctionnement hydraulique du réseau est reproduit à l’aide d’une modélisation numérique développée sur la plateforme SCILAB.

2,2 m

3,1 m



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6.2 ENTREE 1 : OPTIMISATION DU NOMBRE DE CLOISONS

L’analyse du fonctionnement hydraulique, pour les diverses conditions de niveau dans le canal de fuite, montre que le débit introduit dans le bassin de répartition n’a que très peu d’influence sur le débit dans l’entrée 1 et ne peut être utilisé pour gérer les conditions hydrauliques. L’ajout de perte de charge dans la galerie 1 est nécessaire pour limiter le débit mais ne permet pas une optimisation satisfaisante pour toute la gamme de niveau aval à prendre en compte. Un dispositif de trois fentes à ouverture variable a alors été défini pour assurer les conditions de franchissabilité sur l’entrée 1 avec le débit maximum.

Le dispositif de fente à ouverture variable proposé est calqué sur les portes utilisées pour concentrer les migrateurs à l’entrée des ascenseurs à poissons.

La porte est maintenue partiellement ouverte, tournée vers l’amont comme une nasse. Un vérin hydraulique permet de rabattre les battants pour en faire varier l’ouverture (schéma ci-dessous).

Figure 24 : Schéma de principe d’une fente à ouverture variable

Le modèle numérique permet de déterminer le nombre de fente nécessaire à la répartition des débits. Avec 3 fentes, la chute maximale sur les fentes variables est de 7 cm et l’ouverture mini de 0,55 m. On pourrait obtenir les critères de répartition de débit avec 2 fentes mais la chute maximale serait alors légèrement supérieure à 10 cm et les ouvertures seraient inférieures à 0,4 m, ce qui parait faible pour une galerie. On n’aurait également plus aucune marge d’adaptation du dispositif face aux incertitudes sur l’évaluation des diverses pertes de charge.

6.3 FONCTIONNEMENT DES DEUX ENTREES

Les résultats du réglage des fentes peuvent être examinés dans la figure 29 ci-après pour des niveaux aval à l’entrée 1 variant de 148,10 à 148,80 NN.

Pour cette gamme, on peut trouver une ouverture des fentes comprise entre 0,55 et 1,36 m telle que le débit de l’entrée 1 soit maximal tout en respectant la contrainte sur les conditions de ressaut. Ce débit varie ainsi de 0,9 à 4,5 m3/s pour la gamme ci-dessus.

Les simulations des niveaux aval extrêmes 148,0 et 149,0 sont présentées dans la figure 30 ci-après.



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Pour les niveaux aval supérieur à 148,8 NN, la contrainte limitante ne porte plus sur les conditions à l’entrée 1 mais sur la vitesse maximale admissible dans la galerie 1. Le débit tend à y devenir trop important, aussi on peut laisser l’ouverture des fentes à sa valeur maximale et limiter un peu le débit dans la galerie 2 en fixant le débattement de la vanne de l’entrée 2 à 147,4. Dans ce cas, pour les niveaux dans le canal de fuite élevé, la chute à l’entrée 2 diminue en dessous de la valeur de commande de 0,25 m pour baisser à 0,2 m mais cela ne devrait pas nuire sensiblement à son attractivité pour ces situations exceptionnelles.

La figure ci-dessous, résume les valeurs d’ouverture des fentes à imposer en fonction du niveau aval sur la dalle et le fonctionnement hydraulique obtenu sur l’entrée 1.

Figure 25 : Ouverture des fentes et fonctionnement hydraulique de l’entrée 1

Le débit total introduit dans le bassin de répartition n’ayant pas d’influence sensible sur le débit de la galerie 1, il est fixé pour maximiser l’attractivité de l’entrée 2 tout en conservant la chute de 0,25 m prescrite. On doit également ne pas dépasser la vitesse de 0,8 m/s dans la galerie. Ces conditions sont remplies avec les paliers de débit fonction du niveau sur la dalle suivants.

Niveau Z aval1 <148.25 Q = 10,40 m3/s (4 pompes)

148,25 < Zaval 1 < 148,45 Q = 12,70 m3/s (5 pompes)

148,45 < Z aval1 Q = 15,00 m3/s (6 pompes)

Synthèse :

Dans la galerie 1, le dispositif proposé est constitué de 3 fentes mobiles asservies au niveau aval mesuré sur la dalle ; toutes les fentes fonctionnent avec la même ouverture, dont la gamme de variation prévue s’étend de 0,55 m à 1,36 m. Sur l’entrée 2, la vanne est asservie pour maintenir une chute de 0,25m. Enfin les paliers de fonctionnement des pompes ont été définis, ils sont également reliés au niveau sur la dalle.

Malgré les précisions apportées dans l’étude sur la perte de charge par frottement (parois en palplanches) à l’aide des mesures sur modèle et l’évaluation du coefficient de débit des fentes, il subsiste une incertitude sur ces grandeurs ; or, la répartition des débits entre les galeries repose sur des petites différences de niveau aval entre les 2 entrées. Le fonctionnement hydraulique de l’ensemble est donc très sensible à ces incertitudes. Le réglage des asservissements devra donc être repris lorsque la passe sera mise en service.

Niveau aval

E 1 (NN)

Ouverture

fentes (m)

Débit

entrée 1

(m3/s)

Chute

entrée 1

(m)

148 0.55 0.74 0.25

148.1 0.55 0.88 0.2

148.2 0.73 1.28 0.21

148.4 0.98 2.19 0.23

148.6 1.16 3.26 0.25

148.8 1.36 4.45 0.27

149 1.36 5.07 0.18 0

1

2

3

4

5

6

7

8

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

147.8 148 148.2 148.4 148.6 148.8 149

Dé

bit

E1

(m

3/s

)Ou

ve

rtu

re (

m)

Niveau aval entrée 1 (NN)

Ouverture des fentes, Débit entrée 1



/45

Figure 26 : Résultats du modèle numérique avec 3 fentes à ouverture variable

Z aval 1 = 148.1 Larg fente = 0.55

Débit tot = 10.4

Fréquence Zaval 2 Debit 1 Ch Entrée 1 Ch limite PdeC lin Ch fente1 Ch fente2 Ch fente3 Vit.G1 ZBas Rep Debit 2 Ch Entrée2 PdeC lin Vit .G2 Cote vanne

'1/10' 148.18 0.78 0.168 0.2 0.004 0.058 0.054 0.051 0.2 148.44 9.62 0.25 0.005 0.77 146.63

'1/6' 148.19 0.8 0.173 0.2 0.004 0.059 0.056 0.053 0.21 148.45 9.6 0.25 0.005 0.76 146.65

'1/2' 148.21 0.83 0.183 0.2 0.004 0.063 0.059 0.056 0.21 148.46 9.57 0.25 0.005 0.75 146.67

'5/6' 148.24 0.88 0.197 0.2 0.004 0.069 0.064 0.06 0.22 148.49 9.52 0.25 0.005 0.74 146.71

'9/10' 148.26 0.91 0.206 0.2 0.005 0.073 0.068 0.064 0.23 148.51 9.49 0.25 0.005 0.73 146.73


Débit tot = 10.4


'1/10' 148.28 1.15 0.177 0.21 0.007 0.053 0.05 0.048 0.28 148.53 9.25 0.25 0.004 0.7 146.8

'1/6' 148.29 1.18 0.182 0.21 0.007 0.054 0.052 0.049 0.28 148.54 9.22 0.25 0.004 0.7 146.81

'1/2' 148.31 1.22 0.194 0.21 0.007 0.057 0.054 0.052 0.29 148.56 9.18 0.25 0.004 0.69 146.84

'5/6' 148.34 1.28 0.21 0.21 0.008 0.062 0.058 0.055 0.3 148.59 9.12 0.25 0.004 0.67 146.88

'9/10' 148.35 1.3 0.216 0.21 0.008 0.063 0.06 0.057 0.31 148.6 9.1 0.25 0.004 0.67 146.89


Débit tot = 12.7


'1/10' 148.5 1.99 0.186 0.235 0.016 0.053 0.051 0.048 0.43 148.75 10.71 0.25 0.005 0.73 146.78

'1/6' 148.51 2.02 0.193 0.235 0.017 0.054 0.052 0.049 0.44 148.76 10.68 0.25 0.005 0.73 146.79

'1/2' 148.53 2.08 0.205 0.235 0.017 0.056 0.054 0.051 0.45 148.78 10.62 0.25 0.004 0.72 146.82

'5/6' 148.57 2.19 0.231 0.235 0.019 0.061 0.058 0.055 0.47 148.82 10.51 0.25 0.004 0.7 146.88

'9/10' 148.59 2.25 0.244 0.235 0.02 0.063 0.06 0.057 0.48 148.84 10.45 0.25 0.004 0.69 146.91


Débit tot = 15


'1/10' 148.75 3.05 0.211 0.255 0.031 0.056 0.054 0.052 0.6 149 11.95 0.25 0.005 0.74 146.82

'1/6' 148.75 3.05 0.211 0.255 0.031 0.056 0.054 0.052 0.6 149 11.95 0.25 0.005 0.74 146.82

'1/2' 148.78 3.16 0.232 0.255 0.033 0.059 0.056 0.054 0.62 149.03 11.84 0.25 0.004 0.72 146.87

'5/6' 148.81 3.26 0.253 0.255 0.034 0.062 0.059 0.056 0.63 149.06 11.74 0.25 0.004 0.71 146.92

'9/10' 148.82 3.3 0.26 0.255 0.035 0.063 0.06 0.057 0.64 149.07 11.7 0.25 0.004 0.7 146.93


Débit tot = 15


'1/10' 148.97 4.24 0.234 0.275 0.05 0.048 0.046 0.045 0.76 149.22 10.76 0.25 0.003 0.61 147.24

'1/6' 148.98 4.28 0.242 0.275 0.051 0.049 0.047 0.045 0.77 149.23 10.72 0.25 0.003 0.6 147.25

'1/2' 149 4.36 0.257 0.275 0.052 0.05 0.048 0.046 0.78 149.25 10.64 0.25 0.003 0.6 147.29

'5/6' 149.02 4.45 0.272 0.275 0.054 0.051 0.049 0.048 0.79 149.27 10.55 0.25 0.003 0.59 147.32

'9/10' 149.03 4.49 0.279 0.275 0.054 0.052 0.05 0.048 0.79 149.28 10.51 0.25 0.003 0.58 147.34

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Figure 27 : Résultats du modèle numérique avec 3 fentes à ouverture variable (niveaux extrêmes et points de fonctionnement)

Z aval 1 = 148 Larg fente = 0.55

Débit tot = 10.4


'1/10' 148.08 0.63 0.218 0.19 0.002 0.04 0.038 0.037 0.17 148.34 9.77 0.25 0.006 0.82 146.51

'1/6' 148.09 0.65 0.223 0.19 0.003 0.042 0.04 0.038 0.17 148.35 9.75 0.25 0.006 0.82 146.52

'1/2' 148.12 0.69 0.239 0.19 0.003 0.047 0.045 0.043 0.18 148.38 9.71 0.25 0.006 0.8 146.56

'5/6' 148.15 0.74 0.254 0.19 0.003 0.052 0.049 0.047 0.19 148.41 9.66 0.25 0.005 0.78 146.6

'9/10' 148.18 0.78 0.268 0.19 0.004 0.058 0.054 0.051 0.2 148.44 9.62 0.25 0.005 0.77 146.63

Z aval 1 = 149 Larg fente = 1.36

Débit tot = 15


'1/10' 149.18 4.95 0.158 0.3 0.062 0.059 0.056 0.054 0.85 149.39 10.05 0.21 0.002 0.54 147.4

'1/6' 149.18 4.95 0.158 0.3 0.062 0.059 0.056 0.054 0.85 149.39 10.05 0.21 0.002 0.54 147.4

'1/2' 149.2 5.01 0.168 0.3 0.063 0.059 0.057 0.055 0.85 149.4 9.99 0.2 0.002 0.53 147.4

'5/6' 149.22 5.07 0.177 0.3 0.064 0.06 0.058 0.056 0.86 149.42 9.93 0.19 0.002 0.52 147.4

'9/10' 149.23 5.09 0.182 0.3 0.065 0.061 0.058 0.056 0.86 149.42 9.91 0.19 0.002 0.52 147.4


Débit tot = 12.7


'1/10' 148.34 1.36 0.18 0.215 0.009 0.055 0.052 0.05 0.32 148.6 11.34 0.25 0.006 0.84 146.51

'1/6' 148.35 1.38 0.186 0.215 0.009 0.056 0.053 0.051 0.32 148.61 11.32 0.25 0.006 0.83 146.52

'1/2' 148.37 1.42 0.198 0.215 0.01 0.059 0.056 0.053 0.33 148.63 11.28 0.25 0.006 0.82 146.55

'5/6' 148.4 1.49 0.215 0.215 0.01 0.064 0.06 0.057 0.34 148.66 11.21 0.25 0.006 0.8 146.59

'9/10' 148.41 1.51 0.221 0.215 0.011 0.065 0.061 0.058 0.35 148.67 11.19 0.25 0.006 0.8 146.61


Débit tot = 15


'1/10' 148.56 2.21 0.186 0.24 0.019 0.056 0.054 0.051 0.47 148.82 12.79 0.25 0.006 0.85 146.5

'1/6' 148.57 2.24 0.192 0.24 0.02 0.057 0.055 0.052 0.48 148.83 12.76 0.25 0.006 0.85 146.51

'1/2' 148.6 2.33 0.212 0.24 0.021 0.061 0.058 0.055 0.49 148.86 12.67 0.25 0.006 0.83 146.56

'5/6' 148.64 2.45 0.237 0.24 0.022 0.065 0.062 0.059 0.51 148.9 12.55 0.25 0.006 0.81 146.62

'9/10' 148.65 2.48 0.244 0.24 0.023 0.066 0.063 0.06 0.51 148.91 12.52 0.25 0.006 0.8 146.63

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7. BASSIN DE REPARTITION

Etant donné que le débit d’attrait est pompé à l'aval au lieu d'être turbiné depuis l'amont, la géométrie du bassin de répartition a dû être adaptée par rapport de ceux de Gambsheim, Iffezheim et Strasbourg. Le design dessiné sur la figure ci-dessous a fait l’objet de nombreuses réflexions entre les ingénieurs CIH et les experts piscicoles.

Figure 28 : Schéma du bassin de répartition et de la station de pompage

La solution de pompage a été mise à profit pour améliorer l’efficacité de l’ouvrage (par rapport à ceux déjà réalisés en aval), en injectant une partie du débit d’attrait dans le dernier bassin de la passe à poissons. En effet, les suivis piscicoles mis en œuvre sur la passe à poissons de Gambsheim entre 2010 et 2011 ont montré que les poissons rencontraient des difficultés à franchir le bassin de répartition (cf. extrait ci-dessous du rapport H-P76-2012-01804-FR "Comportement des salmonidés migrateurs franchissant la passe à poissons de Gambsheim (Rhin). Utilisation de la technique RFID").

Les principales caractéristiques du comportement des poissons à l’intérieur de la passe sont les suivantes :

- Une hésitation, plus ou moins prononcée suivant les individus, à franchir le bassin de répartition (BR) où est injecté le

débit d’attrait complémentaire, ce qui se traduit pour certains individus par des demi-tours avec sortie temporaire ou

définitive de la passe. Ceci n’est pas étonnant dans la mesure où les poissons, attirés par le débit complémentaire

d’attrait, sont confrontés à des grilles destinées à les guider vers l’entrée de la passe à bassins courants. Bien que



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nous n’ayons pas pu analyser les effets, sur ce comportement, des conditions d’écoulement devant ces grilles

(absence de mesure systématique du colmatage des grilles d’injection du débit d’attrait durant le suivi de 2010), il est

certain que les hésitations à franchir ce bassin devraient être atténuées si l’on maintient ces grilles exemptes de

colmatage. Cette hésitation pourrait provenir également d’une difficulté à emprunter la fente de communication entre

le BR et le bassin situé en amont, ou d’une appréhension à franchir les bassins situés sous la micro-centrale. Les

solutions pourraient être, pour le premier cas, de délivrer un débit d’attrait complémentaire dans le bassin à l’amont

du BR (futures passes), et pour le second cas d’éclairer les bassins situés sous la micro-centrale.

Un débit de 2,3 m3/s (une pompe dédiée) sera donc injecté en amont du bassin de répartition, dans le dernier bassin de la passe appelé bassin de transition. Ce dernier a donc une taille et un design adaptés. L’injection se fait par une grille en amont de laquelle sont disposés des dissipateurs identiques à ceux disposés en amont de la grille du bassin de répartition.

Les dissipateurs/répartiteurs sont constitués de deux rangées d’UPN disposés en quinconce (cf. figure suivante). Les rangées sont parallèles aux grilles et implantées 1 m en amont de ces dernières. Le retour d’expérience d’Iffezheim montre que les UPN utilisés (20 cm x 10 cm) sont trop grands. Des UPN deux fois plus petits (10 cm x 5 cm) seront donc utilisés. La distance entre les deux rangées est égale à la largeur soit 5 cm.

Figure 29 : Schéma de principe des dissipateurs/répartiteurs

8. DIMENSIONNEMENT DE LA PASSE A BASSINS SUCCESSIFS

L'ouvrage de montaison comprendra 2 parties constituées de bassins successifs, dont le dimensionnement hydraulique est analogue et exposé ci-dessous. On parlera de "volée amont" pour le tronçon situé entre la passe naturelle et le plan d'eau amont, et de "volée aval" pour le tronçon situé entre le bassin de répartition et la passe naturelle.

8.1 DIMENSIONNEMENT DES BASSINS

Les volées de passes à bassins seront de type "à fentes verticales", avec une seule fente.

Pour faciliter la progression de toutes les espèces de poissons, en particulier ceux nageant près du fond, la communication entre bassins se fera par une fente latérale profonde (jusqu’au radier). En complément, un orifice de 20 x 20 cm, pratiqué dans les cloisons inter-bassins, permettra la vidange complète des bassins en minimisant le risque de piégeage des poissons derrière le déflecteur des cloisons.

Le débit de dimensionnement de la passe sera de 1,2 m3/s pour le niveau amont 159,89 NN.

Le dimensionnement des bassins de la passe a été réalisé à l'aide du logiciel Cassiopée mis au point par l'ONEMA.

L L

l

l

l



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La valeur retenue pour la chute entre les bassins est de 20 cm. Cette valeur est actuellement préconisée au niveau européen pour les cyprinidés (en particulier en France, Grande-Bretagne, Autriche et Allemagne, guide de la DWA à paraître).

En effet, par rapport aux passes d'Iffezheim et Gambsheim dont l'objectif principal était la migration des "grands migrateurs", l'ouvrage de Gerstheim (comme celui de Strasbourg) a un objectif élargi à toutes les espèces de poissons présentes, dont certaines peuvent avoir des capacités de nage plus faibles.

Le volume d'eau dans les bassins doit être suffisant pour que la valeur de dissipation d'énergie ne dépasse pas 130 à 150 W/m3.

Récemment, des études ont été effectuées par le GHAAPPE et le Laboratoire de Mécanique des Fluides de Poitiers, de manière à optimiser les jets et les recirculations dans les bassins, afin que les poissons puissent être guidés au mieux par les écoulements. La publication présente l'analyse des configurations d'écoulement pour une longueur de bassin égale à 10 fois la largeur de la fente. Elle préconise de retenir une largeur de bassin comprise entre 7 et 7,5 fois la largeur de la fente. Pour une pente de la passe de 5 à 7,5%, le coefficient de débit d'une telle fente est alors de l'ordre de 0,8. Il est cependant possible de réduire la longueur des bassins à 8 à 9 fois la largeur de la fente (Larinier, comm.pers.).

En combinant tous ces critères, on obtient les dimensions suivantes :

Chute 20 cm

Largeur des fentes 40 cm

Orifice de fond 20 x 20 cm

Profondeur des bassins 1,8 m

Longueur des bassins 3,5 m

Largeur des bassins 3,0 m

Dissipation volumique 130 W/m3

Tableau 9 : Dimensionnement des bassins

Figure 30 : Schéma d’un bassin d’une passe à fentes



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Compte tenu de la plage de variation de niveau amont, le débit dans la passe pourra varier entre 1 et 1,3 m3/s environ (900 l/s pour le niveau minimum exceptionnel de 159,40 NN correspondant à 50 cm sous le niveau de calage).

La pente moyenne du radier de la passe à bassins sera de l'ordre de 5,7 %.

Pour faciliter la progression des anguilles et des petites espèces de poissons, le fond des bassins de la passe sera revêtu de plots cylindriques, afin d’obtenir une faible vitesse au fond et/ou des zones de faible vitesse entre lesquelles le poisson peut progresser de proche en proche.

L'avantage des plots par rapports aux enrochements (mis en place à Brisach par exemple), est qu'ils peuvent être réalisés en béton préfabriqué, alors que les enrochements de forme allongée, nécessaires pour un noyage suffisant dans le radier, sont difficiles à trouver et doivent être taillés sur mesure.

Les plots pourront être, soit fixés sur le radier après coulage (système de fixation par tige), soit coulés dans le radier en même temps que celui-ci. Les dimensions préconisées sont résumées dans le tableau et la figure ci-dessous.

Hauteur émergente Environ 0,25 m

Diamètre Entre 0,20 et 0,25 m

Entraxe transversal Entre 0,60 et 0,75 m

Espacement des rangées Entre 0,50 et 0,65 m

Figure 31 : Schéma détaillant la disposition et les dimensions des rugosités de fond par plots dans les passes à bassins

La hauteur des cloisons et la revanche des murs bajoyers ont été calées de manière à ce que la passe ne déborde pas en cas de colmatage total d'une fente par des embâcles : la hauteur de la lame d'eau déversante sur la largeur de la cloison est alors de l'ordre de 40 cm.



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8.2 SIMULATIONS CASSIOPEE

Les lignes d'eau dans la passe à bassins ont été simulées séparément pour la volée en amont de la passe naturelle, et la volée en aval de celle-ci.

Les coefficients de débit considérés pour le dimensionnement sont les suivants :

• 0,7 pour les orifices de fond

• 0,72 pour le rétrécissement du local de comptage (largeur 50 cm)

• 0,75 pour les fentes de la passe

• 0,7 pour la fente de la première cloison amont d'une volée (au lieu de 0,75), ce qui a conduit à augmenter la largeur de la première fente à 50 cm au lieu de 40 cm.

La volée de bassins amont a été dimensionnée pour obtenir un débit de 1,2 m3/s dans la passe pour le niveau amont médian, soit 159,89 NN dans le canal d’amenée de la centrale. Les critères de dimensionnement (chute d’environ 20 cm entre les bassins et puissance dissipée inférieure à 130 W/m3) ont été vérifiés pour les niveaux amont correspondant aux quantiles 5% supérieur et inférieur, soit 159,53 NN et 160,02 NN. On constate que le débit dans la passe est compris entre 1 et 1,3 m3/s (environ 90% du temps). Le niveau en aval de cette volée amont est imposé par le niveau à l’entrée (hydraulique) de la passe naturelle qui dépend du débit. D’après l’étude de BIOTEC sur la passe naturelle, on considère les niveaux suivants :

• Débit passe = 1 m3/s ⇒ niveau aval = 152,85 NN

• Débit passe = 1,2 m3/s ⇒ niveau aval = 152,91 NN

• Débit passe = 1,3 m3/s ⇒ niveau aval = 152,92 NN

La volée de bassins aval a été dimensionnée pour obtenir une chute sur la fente aval (largeur 1,3 m) de l’ordre de 15 cm pour le niveau aval minimum dans le bassin de répartition (déterminé à 148,44 NN au § 6.3 pour un niveau aval à 148,00 au niveau de l’entrée 1). Dans ces conditions les autres chutes sont légèrement supérieures à 20 cm. Cette situation est cependant très rare puisque le niveau du Rhin ne descend jamais en-dessous de 148,00 NN sur la dalle aspirateur et rarement en dessous de 148,20.

9. DIMENSIONNEMENT DE LA PASSE NATURELLE

Dans le cas de Gerstheim, seule une partie du dénivelé sera franchi en passe naturelle ; le linéaire concerné est principalement le contournement du poste de transformation.

Le type retenu est celui d'une "rivière de contournement", construite en grande partie en matériaux naturels (blocs en enrochements, génie végétal…).

La pente généralement mise en œuvre sur ce type de dispositif, quand il est destiné à de nombreuses espèces, est de 1 à 4 %. Dans le cas de Gerstheim, la pente du terrain naturel, sur le tracé de contournement du poste, est quasi nulle. Pour limiter l’impact visuel et l’emprise au sol des talus de la rivière de contournement, on se limite à gagner un dénivelé de 3,70 m sur l’ensemble du linéaire :

• Niveau d’eau extrémité aval 149,30 NN (1,80 m sous le TN) ;

• Niveau d’eau extrémité amont 153,00 NN (1,90 au-dessus du TN)



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La pente générale sera donc de 3,7 m sur 391 m de linéaire de rivière, soit 0,95 %.

Au niveau de l'accès à la centrale, on a cherché à minimiser l'enfoncement, de manière à limiter la portée du pont à créer ; en fonction de cette cote imposée, la partie amont a une pente moyenne de 0,96 % et la partie aval une pente moyenne de 0,94%.

Pour définir une rivière artificielle de faible pente, il existe assez peu de critères dans la littérature internationale. En effet, les passes naturelles sont généralement dimensionnées avec une pente plus importante (de l'ordre de 2 à 4 %) de manière à minimiser leur longueur ; dans le cas de Gerstheim, on a au contraire un linéaire surabondant imposé par le contournement du poste de transformation, ce qui permet d'avoir une pente plus faible.

Un certain nombre de préconisations nous ont néanmoins été faites par le Pôle Ecohydraulique de l'Onema (à partir notamment d'un retour d'expérience autrichien, dont la pente est de 0,6%) :

Débit moyen par mètre de large : 150 à 200 l/s maximum.

Alternance de pools et radiers (au sens de faciès hydromorphologiques) :

• profondeur dans les fosses (ou pools) : 1,1 m

• profondeur des radiers : 40 cm

• pente dans les radiers : 1,5 fois la pente moyenne.

Caractéristiques des talus dans les courbes : pente 1/5 dans l'intrados, 1/1 dans l'extrados.

Si on se réfère à la géométrie naturelle des cours d'eau, la longueur d'onde des méandres est de l'ordre de 7 à 12 fois la largeur du cours d'eau, le rayon de courbure des méandres 2 à 3 fois la largeur.

10. AUTRES EQUIPEMENTS

10.1 LOCAL DE COMPTAGE VIDEO

Un local de comptage des poissons transitant dans la passe est prévu, comme à Iffezheim, Gambsheim et Strasbourg par une caméra vidéo associée à un système de traitement d'images.

Sa vocation est uniquement le suivi scientifique des migrations, et non la visite du grand public.

Ce type d'installation permet un comptage en continu. Le passage des poissons est filmé à travers une vitre disposée dans un bajoyer latéral de la passe, au niveau d’un rétrécissement de section qui oblige les poissons à passer suffisamment près de la vitre (50 cm) pour être reconnaissables même quand l’eau est turbide.

Pour des raisons d'encombrement, le local de comptage ne sera pas implanté à la sortie de la passe comme on le fait généralement (à Gambsheim par exemple), mais en aval de la volée de bassins amont, juste avant la liaison avec la passe naturelle (comme à Strasbourg).

Il est donc nécessaire de recréer des conditions d'écoulement stabilisé à l’amont du comptage, les entraînements d’air ayant pour effet de déclencher inutilement le système de comptage en l’absence de poissons ; cela se fera en augmentant notablement la distance avec la cloison située en amont, de manière à tranquilliser l'écoulement.



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Figure 32 : Extrait de plan du local de comptage vidéo

Sur un des côtés du rétrécissement de section, une vitre d'environ 1,50 m de large et 1,80 m de hauteur permettra de visualiser le passage des poissons quel que soit le niveau d’eau amont. L’autre face du rétrécissement sera également équipée d’un local vitré pour installer l’éclairage du canal de comptage.

Dans ce tronçon de largeur 0,50 m, la vitesse moyenne sera de 1,3 m/s sur une distance d’environ 2 m de long. Cette vitesse est acceptable pour les grands migrateurs, mais aussi pour les autres espèces qui transiteront dans la passe (on rappelle que les vitesses ponctuelles sont supérieures à 2 m/s au niveau des fentes entre les bassins de la passe).

10.2 DISPOSITIF DE NETTOYAGE DES VITRES

Une attention particulière a été apportée à la question du nettoyage des vitres de comptage et d'éclairage. En effet, lorsque la température et l'ensoleillement augmentent, celles-ci sont rapidement colonisées par des micro-algues, qui gênent la reconnaissance des poissons.

Le nettoyage des vitres se fera par un système motorisé similaire à celui de l'ascenseur de Golfech sur la Garonne. Celui-ci est constitué d'un chariot se déplaçant sur la hauteur de la vitre, et muni de brosses fixes plaquées sur les vitres pendant le déplacement du chariot. Ce système, mis au point par un artisan local, a démontré son efficacité par rapport à d'autres solutions, combinant par exemple la translation avec la rotation des brosses (type lavage de voiture), ou par jet à haute pression comme à Gambsheim.

Un, voire deux nettoyages par jour sont généralement nécessaires en été.

Il faut rappeler par ailleurs que sur les aménagements existants, des nettoyages manuels sont tout de même nécessaires plusieurs fois par an. Ceux-ci doivent se faire hors d'eau, ce qui nécessite d'interrompre le fonctionnement de la passe. Etant donné que la passe comprend une partie "passe naturelle", une mise hors d'eau de cette partie pourrait avoir pour conséquence de mettre à sec des habitats colonisés par des poissons et des macro-invertébrés, ce qui doit être évité au maximum. Compte tenu de la longueur de la passe, des poissons pourraient également être piégés dans les bassins.

Pour éviter la coupure de l'alimentation de la passe naturelle et garantir des conditions favorables dans les bassins pour les poissons piégés, un by-pass de la partie vitrée a été prévu et est décrit au paragraphe suivant.



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10.3 BY-PASS POUR L’ALIMENTATION DE LA PASSE NATURE LLE

Le fonctionnement de la passe à poissons peut être interrompu, soit pour le nettoyage manuel des vitres, soit pour des opérations de maintenance sur les bassins.

Etant donné que le dénoyage ponctuel de la passe naturelle n'est pas acceptable, un système de by-pass des volées de bassins amont et aval est donc prévu.

Pour le dimensionnement du by-pass, le débit pris en compte est de 0,6 m3/s, soit la moitié du débit nominal de la passe. Ceci permettra d’alimenter la passe naturelle avec un débit minimal de 0,6 m3/s lors des opérations de nettoyage.

La restitution du by-pass de la volée amont sera équipée de dissipateurs d’énergie (type IPN ou UPN) afin de ne pas éroder le fond et les berges de la passe naturelle.

10.4 GRILLE DE PROTECTION ET BY-PASS DE LA VOLEE DE BASSINS AVAL

Le débit ayant transité par la passe naturelle doit ensuite se réentonner dans une volée de bassins en béton, avec des largeurs de fente de 40 cm.

Il est possible que divers corps flottants soient entraînés par ce débit le long de la partie en passe naturelle (branchages et autre débris naturels dus à la végétation le long de la passe naturelle).

De plus, d'un point de vue sécurité, il paraît également indispensable d'avoir une grille (d'espacement 40 cm = largeur d'une fente) en amont de la volée de bassins aval.

Dans la section de transition entre la rivière, de largeur 7 m environ, et la passe de largeur 3 m, il sera donc installé un plan de prégrilles inclinées par rapport à l'horizontale, de manière à guider les corps flottants vers la surface, ainsi qu'une passerelle permettant leur nettoyage manuel.

Pour by-passer la volée aval, un batardeau vient couper son alimentation et alimente un canal par débordement jusqu’à un débit de 1,2 m3/s.

11. STATION DE POMPAGE DU DEBIT D’ATTRAIT La station de pompage est constituée de six pompes. Cinq de ces pompes se déversent dans le bassin de répartition et la sixième dans le bassin de transition. Pour que ces pompes fonctionnement toujours à leur optimum, le débit total n’est modulé que par arrêt ou mise en marche d’une ou plusieurs pompes.

On a donc les paliers suivants de débit total injecté en aval de la passe :

• 10,4 m3/s (quatre pompes + débit passe naturelle de 1,2 m3/s)

• 12,7 m3/s (cinq pompes + débit passe naturelle de 1,2 m3/s)

• 15 m3/s (six pompes + débit passe naturelle de 1,2 m3/s)

Un déversoir en sortie de la station de pompage assure l’indépendance du débit injecté par rapport au niveau s’établissant dans le bassin de répartition.

A l’issue de la réunion du 10/02/2014 entre les experts (M. Larinier, F. Travade, JP. Bouchard), les ingénieurs d’EDF (CIH et R&D) et les ingénieurs d’HYDRATEC (station de pompage), il a été décidé de ne pas mettre de grilles en amont des pompes dans un premier temps mais une jupe flottante. Cette jupe permet également d’orienter le jet sortant de l’entrée 2 et par conséquent de guider les poissons. Des



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rainures spécifiques seront toutefois réalisées dans le génie civil afin de pouvoir mettre des grilles si cela s’avérait nécessaire par la suite.



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Références

[1] – TRAVADE F. 2013 : Comportement des salmonidés migrateurs franchissant la passe à poissons de Gambsheim (Rhin) - Utilisation de la technique RFID. (H-P76-2012-01804-FR)

[2] – TETARD S. 2014 : Etude du comportement des cyprinidés dans la passe à poissons de Gambsheim (Rhin, France) entre 2011 et 2013 - Utilisation de la technique RFID. (H-P76-2013-01528-FR)

Centrale de Strasbourg - Passe à poissons - Contexte et conception générale de la passe à poissons - APS - Pièce B (IH.STRAS-PAP.APS-ENV.00001.A)

Centrale de Strasbourg - Passe à poissons - Dimensionnement hydraulique et piscicole de la passe à poissons - APD - Pièce B (IH.STRAS-PAP.APD-ENV.00001.A)

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