la circulation des poissons migrateurs : le transit à travers les … · between 1984 and 1986,...

Bull. FT. Pêche Piscic. (1989) 312 - 313 — 1 —

LA CIRCULATION DES POISSONS MIGRATEURS : LE TRANSIT A TRAVERS LES TURBINES

DES INSTALLATIONS HYDROÉLECTRIQUES

M. LARINIER*, J. D A R T I G U E L O N G U E "

*CSP - CEMAGREF, BP 26, 31321 CASTANET-TOLOSAN CEDEX " 3 0 0 R. H-Desbals. 31100 TOULOUSE

Reçu le 24 mai 1989 Accepté le 26 mai 1989

Received 24 May, 1989 Accepted 26 May, 1989

RÉSUMÉ

La réussite des programmes de resta ration des populat ions de poissons migrateurs (salmonidés, alose...) lancés en France ces dernières années nécessite que leur l ibre circulat ion soit assurée notamment au niveau des installations hydroélectr iques. Lors de la migrat ion d'avalaison, les dommages subis par les juvéniles au cours de leur passage à travers les turbines sont diff ici lement prévisibles et peuvent se révéler importants.

Entre 1984 et 1986, sept expér imentat ions ont été réalisées en France sur divers types de turbines (FRANCIS, KAPLAN, OSSBERGER), afin de mettre au point un protocole standard d'évaluation des mortalités.

Les résultats obtenus lors de ces études ont permis de compléter les données disponibles dans la bibl iographie et de réaliser une analyse stat ist ique d'ensemble. Cette analyse a montré que l ' importance des dommages est étroi tement liée aux caractér ist iques de la turb ine et à la taille des poissons.

Sur les turbines FRANCIS, la mortal i té est inf luencée par des paramètres comme les vitesses absolue et relative en entrée de roue, la vitesse de rotat ion ainsi que par le rapport taille du poisson à l'espace inter-aubes. Sur les turbines KAPLAN, la mortal i té est sur tout liée au rapport de la taille du poisson à l'espace inter-pales.

Des équat ions de régression ont été établies qui permettent de prédire l 'ordre de grandeur de la mortal i té sur ces deux types de turbines pour les salmonidés et les angui l l idés.

The success of plans for the restoration and enhancement of migratory f ish stocks (salmo-nids, clupeids...) launched in France dur ing recent years requires that their free movement be ensured, especially at hydroelectr ic plant locations. The damages suffered dur ing the downstream migrat ion by juveniles or adults passing through a turb ine cannot be easily estimated and may be important.

Between 1984 and 1986, seven experiments were carr ied out on several types of turbines (FRANCIS, KAPLAN, OSSBERGER) in order to define a standardized experimental procedure for est imating turbine mortal i t ies.

The results obtained dur ing these experiments, completed by other past studies of turbine-related fish mortal i ty, have al lowed a statistical analysis. It resulted that the mortal i ty rate is highly dependent on the character ist ics of the turbines and the length of the f ish.

Hydrodynamic factors, such as absolute and relative velocit ies at the vanes entrance, as well as speed of revolut ion and the length of the fish related to the mean distance between vanes, affect losses in FRANCIS turbines. The only factor in KAPLAN turbines is the length of the fish related to the mean distance between blades.

Models for predict ing potential losses have been formulated for FRANCIS and KAPLAN runners for salmonids and eels.

THE MOVEMENT OF MIGRATORY FISH : TRANSIT THROUGH TURBINES OF HYDROELECTRIC

INSTALLATIONS

ABSTRACT

Article available at http://www.kmae-journal.org or http://dx.doi.org/10.1051/kmae:1989011

http://www.kmae-journal.org

http://dx.doi.org/10.1051/kmae:1989011

Bull. Fr. Pêche Piscic. (1989) 312 - 313 — 2 —

INTRODUCTION

Dans le cadre des dif férents programmes de restauration ou de protect ion des populat ions d'espèces migrat r ices — saumon, trui te de mer, alose, anguille... — initiés par le Ministère de l 'Env i ronnement depuis une quinzaine d'années, et comme conséquence de la récente loi sur la pêche en eau douce de 1984, de nombreuses réalisations de passes à poissons ont vu le jour en France. Le retour d'expérience, en part icul ier lors du contrôle et du suivi de ces disposit ifs, s'est t radu i t par des progrès certains dans la connaissance du comportement migratoire des espèces et dans la déf in i t ion des critères de dimensionnement des ouvrages.

Il convenai t d'aborder paral lèlement les problèmes liés à la dévalaison des juvéniles — et des adul tes pour certaines espèces —, dévalaison qui ne se fait pas sans dommages lorsque les migrateurs sont entraînés dans les prises d'eau des centrales hydroélectr iques.

Avant d'envisager systémat iquement au niveau de chaque prise d'eau la mise en place de d isposi t i fs d'évitement — barrières physiques ou comportementales —, dont la concept ion et la mise en œuvre sont délicates et le degré d'efficacité souvent mal connu, les probabi l i tésd'entraîne-ment dans la prise d'eau ainsi que le pourcentage de mortal i té potentiel le lors du transit dans la tu rb ine doivent être évalués.

Les probabi l i tés d'entraînement dans la prise d'eau sont fonct ion de la conf igurat ion du site, du degré d 'équipement de la centrale, de l 'hydrologie en période de dévalaison et du comportement migra to i re de l'espèce cons idérée : elles ne peuvent être évaluées que cas par cas.

Le pourcentage de mortal i té potent iel le dans la turbine est fonct ion du migrateur — en par t icu l ier de l'espèce et de sa tai l le —, des caractéristiques de la turb ine et de ses condi t ions de fonc t ionnement .

On n'évoquera dans la suite que le second aspect du problème, c'est-à-dire l'évaluation des dommages potent iels lors du transit à travers une turbine, l 'évaluation de la probabi l i té d'entraînement ne pouvant s'effectuer que ponctuel lement sur chaque site.

Les expér imentat ions menées en France sur les dommages dans les turbines se sont déroulées entre 1984 et 1986 et ont été f inancées conjointement par le Ministère de l 'Environnement et l 'Agence Française pour la Maîtrise de l'Énergie, ainsi que par Électricité de France sur trois de ses instal lat ions.

La référence de base sur le transit à travers les turbines au moment où était lancée l'étude était la synthèse réalisée par BELL en 1967 et actualisée en 1981 pour le U.S. ARMY CORPS OF ENGINEERS (BELL, 1967 ; BELL et BRUYA, 1981). Dans ce rapport, l 'auteur mettait en évidence l 'extrême var iabi l i té des mortal i tés d'une installation à l'autre en insistant sur la dif f iculté à dégager des modèles prédict i fs des dommages potent iels; le seul moyen d'estimer raisonnablement les morta l i tés sur un site donné consiste alors à y effectuer une expér imentat ion grandeur réelle.

On s'est donc attaché à mettre au point, à l'aide de plusieurs expériences in-situ, un protocole expér imenta l standard suscept ib le d'être utilisé par la suite sur les sites présentant un intérêt part icul ier .

Paral lèlement, les données afférentes aux expérimentat ions les plus intéressantes effectuées à l 'étranger ont été recueil l ies et on a tenté de relier l ' importance des dommages à certaines caractér is t iques de la tu rb ine (géométr ie, champs de vitesse...).

Ces travaux ont fait l'objet, de la part de l'un des auteurs, d'une thèse de Doctorat de l'Institut Nat ional Poly technique de Toulouse (DARTIGUELONGUE, 1988).

Après une descr ipt ion schémat ique des différents types de turbines (I), un bref histor ique des expér imenta t ions menées à l 'étranger est effectué (II). Les expérimentat ions menées dans le cadre de cette étude ont été synthétisées en II I . Les essais de modél isat ion des dommages potentiels à part i r des données françaises et étrangères ont été traités en IV.

INTRODUCTION

In the l ight of dif ferent programs for the restoration or protect ion of migratory species -sa lmon, sea t rout , shad - ini t iated by the Ministry of Environment 15 years ago and as a consequence of the new legislat ion on Sport f ishing in 1984, many fish passes have been constructed in recent years in France.

As a result of exper ience gained, part icularly dur ing the control of these f ishways, certain advances have been made in the knowledge of the behaviourof these species and in thede f in i t i ono f cr i ter ia for the design of f ishpasses.

At the same t ime, it is necessary to tackle the problems associated with the downstream migra t ion of juveniles — and of adults for certain species — which does not take place wi thout losses as the migrants are caught up in the intakes of hydroelectr ic powerstat ions.


Before consider ing, at each intake, the instal lat ion of gu id ing and divert ing structures — physical or behavioural barriers — whose concept ion and sett ing up are cri t ical and of wh ich of ten the degree of eff ic iency is l itt le known, the probabi l i ty of entra inment at the intake as well as the percentage of potential biological damage dur ing transit t h rough the turbine, must be evaluated.

The probabi l i ty of entrainment into the intake is a funct ion of the conf igurat ion of the site, the capacity of the turb ine in compar ison wi th the river d ischarge dur ing downstream migrat ion, and the migratory behaviour of the considered species.

The percentage of potential damage in the turb ine must be a funct ion of the fish — species and length — and of the characterist ics of the turb ine and of its operat ing condi t ions.

Only the second aspect of the problem is considered here — that is the evaluation of potential damages dur ing transit through a turb ine since the evaluat ion of the probabi l i ty of entrainment can only be carr ied out effectively at each site.

The exper iments on the damages in the turbines were conducted in France between 1984 and 1986, and were f inanced joint ly by the Ministry of Environment and the French Agency for Control of Energy (A.F.M.E.), as well as by French Electr ici ty Board (E.D.F.) at three of the instal lat ions.

At the t ime the study was launched, the base reference for transit through turbines was the compend ium carr ied out by BELL in 1967 and brought up to date for the U.S. Army Corps of Engineers (BELL, 1967; BELL and BRUYA, 1981 ). In this report, the author points out the extreme variabil i ty of mortal i ty f rom one instal lat ion to another, stressing the di f f icul ty of arriving at predictive models for potent ial damage ; the on ly means of reasonably est imat ing the mortal i ty for a given site is therefore to carry out a full scale e périment.

It has thus been at tempted to establish, wi th the aid of in-situ experiments, a standard procedure able to be used from now on, at sites present ing a part icular interest.

Furthermore, the data pertaining to the most interest ing exper iments carried out abroad has been col lected and an attempt has been made to relate the rate of mortal i ty to certain characterist ics of the turbines. These studies were the subject of a Doctorate thesis at the Institut National Polytechnique de Tou louse by one of the authors (DARTIGUELONGUE, 1988).

Fol lowing a schemat ic descr ipt ion of the dif ferent types of turb ines (I), isa brief history of the experiments conducted abroad (II). The experiments carr ied out in France dur ing this study are reviewed in I I I . The at tempts at model l ing the potential damages based on french and foreign data are handled in IV.

I - LES TURBINES HYDRAULIQUES

1. GÉNÉRALITÉS SUR LES TURBINES HYDRAULIQUES

Une turb ine hydraul ique est une machine tournante const i tuée pr incipalement d'une roue mobi le qui t ransforme l 'énergie contenue dans l'eau d'un cours d'eau sous forme c inét ique et /ou potentiel le en énergie mécanique directement ut i l isable sur un arbre en rotat ion. Elle est généralement accouplée à un alternateur qui débite sur le réseau. Pour maintenir constante la fréquence, il est évidemment nécessaire de faire tourner la roue à vitesse constante.

On classe généralement les différentes turbines en deux catégories :

— les turbines à "ac t ion" (turbines PELTON, turbines BANKI -MICHELL) dans lesquelles toute l'énergie mise à d isposi t ion de la roue est sous forme d'énergie c inét ique (ou de vitesse), les pressions d'entrée et de sort ie de la roue étant égales à la pression a tmosphér ique;

— les turbines à " réact ion" , ( turbines FRANCIS, turbines HÉLICES et KAPLAN), dans lesquelles l'énergie mise à d isposi t ion de la roue est en partie sous forme c inét ique, en partie sous forme potent ie l le: l'eau subit au passage de la roue qui est sous pression à la fois une variation de vitesse et de pression.

On dist ingue essentiel lement trois organes sur une turb ine :

— un distr ibuteur, organe fixe mais souvent réglable, qui donne aux filets d'eau une vitesse, en grandeur et en d i rect ion, adéquate pour aborder la roue avec un m in imum de pertes d'énergie par chocs et qui permet éventuel lement de faire varier le débit admis dans la roue.

— une roue mobi le, essentiel lement const i tuée d'augets ( turbines PELTON), d'aubes (turbines BANKI -MICHELL et FRANCIS), ou de pales (HÉLICES et KAPLAN) . C'est sur l'arbre de cette roue qu'est recueil l ie la puissance disponible.

— un aspirateur ou diffuseur, destiné à récupérer sous forme d'énergie de pression l'énergie cinét ique que peut posséder l'eau à sa sortie de la roue. Cet organe n'existe que sur les turbines à réaction.

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2. DESCRIPT ION DES DIFFÉRENTS TYPES DE TURBINES

2.1. Les turbines à action

2.1.1. Les turbines PELTON

Une tu rb ine PELTON (fig. 1.1.) est cons t i t uéepa rune rouepor tan t su rson pou r tou runesé r ie d 'augets en fo rme de double cui l ler munis d 'une échancrure centrale. Le distr ibuteur se compose d 'un ou p lus ieurs ajutages (entre 1 et 4) appelés injecteurs envoyant sur la roue un jet à très for te vi tesse. La t rans la t ion d'une aigui l le à l ' intérieur du distr ibuteur permet le réglage du débit.

Le doma ine d'ut i l isat ion des turbines PELTON se caractérise par des chutes généralement supér ieures à 150 m — jusqu'à plus de 1.500 m — à débits relativement faibles. Le nombre d'augets est rarement supérieur à 24.

R E S E R V O I R A M O N T

/ — V

figure 1.1. : Turbine PELTON.

figure 1.1. : PELTON wheel.


2.1.2. Les turbines BANKI-MICHELL (ou OSSBERGER)

Une turb ine BANKI -MICHELL (f ig. 1.2.) se compose d'un injecteur de sect ion rectangulaire qui peut être modi f iée par un volet prof i lé et d'une roue const i tuée de deux flasques associés par une couronne d'aubes.

Le trajet de l'eau dans la roue est à double act ion : l'eau agit dans un premier temps de manière centr i fuge après avoir traversé la roue de l' intérieur. Il est possible de n'injecter le débit quesu r une partie de la roue, ce qui permet d'accroître la plage de fonct ionnement de la turbine.

Son domaine d'ut i l isat ion est assez étendu puisqu'el le peut équiper des chutes de 2 m à 200 m pour des débits variant respectivement d'une dizaine de m 3 / s à quelques dizaines de l/s. Ce type de roue est assez rarement uti l isé en France.

2.2. Les turbines à réaction

Il s'agit pr incipalement des turbines FRANCIS et KAPLAN. Elles ont en commun les organes d'al imentat ion et de distr ibut ion ainsi que l'aspirateur et se dist inguent surtout par la forme des roues.

figure 1.2. : Turbine BANKI-MICHELL (ou OSSBERGER) (d'après documentation OSSBERGER).

figure 1.2. : OSSBERGER (or BANKI-MICHELL) turbine (from OSSBERGER documentation).

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2.2.1 Les organes d'alimentation et de distribution. L'aspirateur

L'eau atteint la roue sur tout son pour tour après avoir circulé dans un condui t en co l imaçon, la bâche spirale. Cette bâche, de sect ion progressivement décroissante, assure une répart i t ion cons tan te de l'énergie à la pér iphér ie de la roue. Sur la couronne interne sont disposées des ent reto ises f ixes, les prédirectr ices, dont le rôle est d'orienter les fi lets f luides vers l'entrée des d i rec t r ices du distr ibuteur (f ig. 1.3).

Le d is t r ibuteur donne à l'eau une circulat ion convenable à l'entrée de la roue. Il est formé d 'une c o u r o n n e compor tant un ensemble de directrices, de formes profi lées, mobi les autour de tou r i l l ons paral lèles à l'axe de rotat ion de la roue, pouvant s'ouvrir ou se fermer à la manière de pers iennes. Cet organe permet de faire varier le débit admis dans la roue.

Pour les chutes en deçà de 6 mètres, la bâche spirale est généralement suppr imée, d is t r ibuteur et roue sont directement noyés dans une chambre d'eau en charge ou non.

Les turb ines àréact ion se terminent par un aspirateur (ou diffuseur) mettant en commun icat ion la sor t ie de la roue avec le bief aval. Il a pour but de récupérer la hauteur de chute compr ise entre la sort ie de la roue et le niveau d'eau aval ainsi que la plus grande partie de l 'énergie c inét ique à la sor t ie de la roue. L'évasement très progressif de l 'aspirateur est destiné à l imiter la format ion de tou rb i l l ons et d' instabi l i tés inhérents au ralentissement d'une veine l iquide.

T U R B I N E E T BACHE S P I R A L E P O S I T I O N O E S D I R E C T R I C E S

figure 1.3. : Éléments des turbines à réaction,

figure 1.3. : Elements ot reaction turbines.


2.2.2. Les turbines FRANCIS

La roue (fig. 1.4.) comporte un certain nombre d'aubes — de 7 à 19 — fixées à un arbre disposé soit hor izontalement, soit verticalement. Les aubes sont des surfaces gauches donnant aux part i cules f luides des trajectoires absolues en forme d'hélices tracées sur des surfaces coniques. Elles sont fixées entre deux surfaces de révolut ion, le p lafond et la ceinture. Les fi lets f luides qui pénètrent dans la roue dans des plans perpendiculaires à l'axe de rotat ion exercent une poussée sur ^es aubes qui les devient et leur donnent une direct ion aussi voisine que possible de celle de I arbre.

La turb ine FRANCIS est utilisée dans le domaine des chutes moyennes (de 30 à plus de 300 m), avec des débits allant de quelques centaines de l/s à plus de 200 m Vs. Sur des installations anciennes, elles ont aussi été implantées sur des basses chutes.

V U E G E N E R A L E

figure 1.4.

figure 1.4.

N s = 100 t r / m n

P R E D I R E C T R I C E

- D I R E C T R I C E —

A U B E — .

N s : 3 0 0 t r / m n

E V O L U T I O N O U P R O F I L D ' U N E T U R B J N E E N F O N C T I O N DE L A V I T E S S E S P E C I F I Q U E

Turbine FRANCIS.

FRANCIS turbine.


2.2.3. Les hélices ou turbines KAPLAN

Les roues KAPLAN (fig. 1.5.) ne comportent que 3 à8 pales sans couronne externef ixées sur un moyeu . Les pales sont or ientables, ce qui permet un fonct ionnement acceptable — c'est-à-dire avec un m i n i m u m de pertes d'énergie — pour une large gamme de débits. L' incl inaison des pales est synchron isée avec l 'ouverture du distr ibuteur.

Cer ta ines roues KAPLAN de puissances modestes ne comportent pas de directr ices, le réglage d u débi t et de la puissance étant assuré uniquement par l 'orientation des pales de la roue.

Une tu rb ine hélice est une turb ine KAPLAN à pales fixes. Elle ne fonct ionne avec un rendement acceptab le que pour une faible marge de débit.

Un g roupe bulbe est une turb ine KAPLAN à axe horizontal ou incl iné, le distr ibuteur et les pales pouvant être à pas fixe ou mobi le ; c'est une turb ine "axiale", l'axe de la turb ine coïncidant avec celui de l 'écoulement. Ce type de turb ine a permis d'abaisser le seuil de rentabil i té des instal lat ions de très basses chutes en réduisant notablement le génie civil et en augmentant paral lèlement l 'eff icacité hydraul ique de l'aspirateur.

L 'ut i l isat ion des turbines KAPLAN, hélices ou bulbes est réservée aux usines de basses chutes, in fér ieures à 30-40 m, mais pour des débits pouvant dépasser 600 m 3 /s .

Ht: 350 t f / m n N»=*>0 t r /mn

EVOLUTION DU PROFIL 0C LA TURBINE EN FONCTION OE LA VITESSE SPECIFIQUE

figure 1.5. : Turbine KAPLAN,

figure 1.5. : KAPLAN turbine.

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3. NOTIONS SUR LE FONCTIONNEMENT DES TURBINES

On ne donnera ici que les éléments essentiels à la compréhens ion de la suite, notamment de la partie IV. Pour plus de détails sur le fonc t ionnement des turbines hydraul iques, le lecteur se reportera aux ouvrages de référence sur le sujet (BROWN, 1958; VIVIER, 1966; SEDILLE, 1967; G INOCCHIO , 1978).

3.1. Hauteur de chute et puissance nettes

La puissance mise à disposi t ion d'une turb ine par le débit Q a pour expression :

Pn = g.Q.Hn

où Pn : puissance nette (Kw) ^ : masse vo lumique de l'eau (Kg /m 3 ) g : accélérat ion de la pesanteur (m/s 2 ) Q : débit (rnVs)

Hn est la hauteur de chute nette, c 'est-à-dire la charge mise à disposi t ion de la roue entre ses sect ions d'entrée et de sortie. Hn représente une énergie par k i logramme d'eau et s 'exprime en mètres.

Hn est égale à la hauteur de chute brute Hb — dif férence entre la cote du plan d'eau d e la prise et celle de la rest i tut ion — à laquelle on retranche les pertes de charge dans l 'ouvrage de prise d'eau (en part icul ier aux gri l les et dans les condui tes ou galeries en charge situées en amont de la turbine) et dans le canal de rest i tut ion en aval de l 'aspirateur.

3.2. Les triangles de vitesse. Puissance et hauteurs de chute utiles.

Les f i lets f luides pénétrant dans la roue par sa surface d'entrée subissent dans la traversée de cel le-ci une déviat ion provoquée par les aubes. Les part icules f luides sont soumises à des forces centr i fuges qui , appl iquées aux aubes di rectement ou par l ' intermédiaire des couches liquides adjacentes, produisent le couple moteur sur l'axe de la roue. Le tracé des aubes est tel que c e couple soit maximal ; on cherche d'autre part à rendre les plus faibles possibles les pertes d 'énergie dues au f rot tement, à la turbulence et aux chocs.

Les part icules d'eau, lorsqu'elles abordent la roue en sort ie de distr ibuteur, ont une certaine vitesse absolue (par rapport à un repère f ixe, le d ist r ibuteur par exemple) ; il est intéressant d e définir leur vitesse relative par rapport à un repère mobi le lié à cette roue. On sait que, lorsqu'un point se déplace relat ivement à un système en mouvement, sa vitesse absolue est la résultante de la vitesse d'entraînement du système et de la vitesse relative du point matériel. En part icul ier, la vitesse absolue V d'une part icule f luide, en un point que lconque de la roue de la turbine, sera la résultante de la vitesse d'entraînement U du point lié à la roue qui se con fond avec la part icule considérée et de la vitesse relative W de cette part icule par rapport à ce point.

On désignera par l' indice 1 (U1 , V 1 , W1 ) les vitesses à l'entrée de la roue et par l ' indice 2 (U2, V2, W2) les vitesses en sort ie de roue.

On décompose généralement le vecteur vitesse absolue de la part icule f lu ide M suivant deux d i rect ions : sa composante giratoire Vu, pro ject ion de V sur la d i rect ion de la vitesse d'entraînement U et sa composante méridienne Vm située dans un plan passant par l'axe de rotat ion de la roue (f ig. 1.6.). Ces deux composantes sont importantes car nous verrons par la suite que la composante mér id ienne cond i t ionne le débit alors que la composante giratoire cond i t ionne les échanges d'énergie.

figure 1.6. : Triangle des vitesses. V, vitesse absolue. U, vitesse d'entraînement. W, vitesse relative,

figure 1.6. : Diagram of velocities. V, absolute velocity. U, peripheral velocity. W, relative velocity.

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L'angle du vecteur vitesse absolue V avec le vecteur vitesse d'entraînement U est noté a. En entrée de roue, il caractérise I angle d ' in ject ion ou le degré d'ouverture du distr ibuteur. L'angle des vecteurs vitesses relatives avec la d i rect ion négative des vecteurs vitesses d'entraînement est noté(3. En entrée, il est peu dif férent de l'angle des aubages (fig. 1.7.).

On a porté sur la f igure 1.8. l 'allure des tr iangles des vitesses pour des roues FRANCIS et K A P L A N .

Les t r iangles des vitesses à l'entrée et à la sort ie de la roue jouent un rôle important dans toutes les turbomachines. On montre en effet (relation d'EULER) que la puissance du couple moteur produi t par l 'ensemble des f i lets l iquides — appelée puissance uti le Pu — est donnée par une express ion ne dépendant que des tr iangles des vitesses en entrée et en sor t ie :

Pu = ^ Q. (U1.Vu1 - U2.Vu2)

Cette expression peut se mettre sous la forme d'une hauteur de chute, di te hauteur de chute effective ou uti le, (Pu — \> .g.Q.Hu) :

Hu - . (U1.Vu1 — U2.Vu2)/g

Hu est la hauteur de chute effectivement uti l isée pour produire l'énergie mécanique sur l 'arbre de la turbine.

La d i f férence entre Hn, hauteur de chute nette, et Hu , hauteur de chute utile, est une perte de charge di te perte manométr ique ou interne comprenant les pertes par frot tement dans le d is t r ibuteur, la roue et l 'aspirateur ainsi que les pertes par choc à l'entrée de la roue se produisant lorsque la vitesse relative W1 n'est pas tangente aux aubes en entrée.

Le rendement hydrau l ique <r> h de la roue est le rapport entre hauteur de chute uti le et hauteur de chute nette :

iy h zz Hu /Hn

Pour donner au rendement hydraul ique une valeur maximale, la vitesse de rotat ion de la tu rb ine étant supposée f ixée, on cherchera :

— à augmenter la composante gi rato i re Vu1 , c'est-à-dire à dir iger les fi lets l iquides à l'entrée dans une d i rec t ion aussi voisine que possible de la tangente au cercle d'entrée.

— à réduire la composante giratoire Vu2, c'est-à-dire à donner aux aubes une forme tel le que les f i lets l iqu ides à la sort ie soient parallèles à l'axe de rotat ion de la roue.

V I T E S S E

R E L A T I V E

figure 1.7. : Triangles des vitesses d'une turbine à réaction en entrée et en sortie,

figure 1.7. : Inlet and outlet diagrams of velocities for a reaction turbine.


3.3. Similitude hydraulique et vitesse spécifique

Il est di f f ic i le de parler des turbines hydraul iques sans aborder la not ion de vitesse spécif ique qui résulte de l'étude des condi t ions de s imi l i tude des turbomachines.

De façon générale, deux systèmes mécaniques sont en s imi l i tude hydraul ique s'ils sont géométr iquement semblables (leurs d imens ions linéaires sont proport ionnel les) et c inémat ique-ment semblables (les vitesses du f lu ide en des points homologues sont dans un même rapport).

Deux turbines (T) et (T ) hydraul iquement semblables, de diamètres D et D', de vitesses de rotat ion N et N', fonct ionnant sous des chutes nettes Hn et Hn' , ont des tr iangles des vitesses semblables. Le rapport des vitesses en des points homologues est dans le rapport de la racinecarrée des chutes. S i . l est le rapport des im i l i t ude géométr ique, c'est-à-dire le rapport des diamètres, on a les relations suivantes :

D/D' - À

U/LT — (N.D)/(N' .D - ) — V / V — W / W - (Hn/Hn') 7 '

D'où :

N /N ' = (1 / . I ) . (Hn/Hn' ) V 2

Les débits sont égaux aux vitesses mult ipl iées par les sect ions de passage correspondantes :

Q/Q ' = A 2 (Hn/Hn') V 2

La simi l i tude des tr iangles des vitesses entraîne l'égalité des rendements hydraul iques.

Les rendements hydraul iques étant égaux, les puissances uti les sont dans le rapport :

Pu/Pu' — (Q.Hn)/(Q' .Hn') = A 2 . (Hn /Hn ' ) J / 2

A partir d'une turb ine donnée, on peut déterminer les caractérist iques de toute une famil le hydraul iquement semblable : en part icul ier, une turb ine déterminée (T) peut être déf inie en rapportant ses caractérist iques (forme, vitesse de rotat ion, puissance) à celles d'une turb ine hydraul iquement semblab lede référence produisant une p u i s s a n c e d e l C V s o u s l mè t redechu te . Lav i tessede rotat ion de cette turbine de référence q u i a donc le même rendement manométr ique que la turbine (T) est appelée vitesse spéci f ique et est notée Ns.

Elle s'exprime, en fonct ion des caractér ist iques de la turb ine (T) par l 'expression :

Ns = N. P u V 2 . H n - 5 / 4

L'expérience des constructeurs a permis de déterminer les d imensions et le tracé d 'un certain nombre de turbines fonct ionnant avec le mei l leur rendement possible. A partir de ces résultats, il a été possible de dresser des catalogues contenant les caractér ist iques géométr iques et c inémat i -ques des turbines de référence correspondantes : chacune de ces turbines est déf inie par savitesse spécif ique.

Inversement, lorsqu'on procède à l 'établissement d'un projet d 'une turbine, il suff i t de calculer sa vitesse spéci f ique Ns (à partir de Pu, Hn et N) et de rechercher dans le catalogue les caractér ist i ques de la turb ine de référence géométr iquement semblable. Les d imensions de la tu rb ine prototype sont obtenues en mult ipl iant les d imensions de la turb ine modèle par le rapport de simi l i tude :

\ = HnVVPuV 2

Pour chaque type de turbine ont été déterminées les l imites entre lesquelles peut varier la vitesse spéci f ique pour que la turb ine soit techniquement réalisable et fonct ionne avec un rendement acceptable.

Les turbines PELTON (de 1 à 4 jets) sont uti l isées pour des vitesses spéci f iques comprises entre 2 et 72 t rs /mn.

Le domaine d'ut i l isat ion des roues FRANCIS se situe entre 60 et 400 t rs /mn.

Celui des turbines KAPLAN ou HELICE entre 300 et 1.200 t rs /mn.

Non seulement le type, mais aussi la fo rme de la turb ine varie avec la vitesse spécif ique : la FRANCIS lente (c'est-à-dire à faible valeur de la vitesse spécif ique) a des canaux étroits, un diamètre d'entrée supérieur au diamètre de sort ie et présente un écoulement nettement centr ipète. L'augmentat ion de la vitesse spécif ique se traduit par l 'élargissement des canaux, l 'augmentat ion relative du diamètre de sortie, qui devient supérieur à celui de l'entrée, l 'écoulement tendant à devenir axial (f ig. 1.4.). Pour les turbines KAPLAN, le nombre de pales et la grosseur relative du moyeu diminuent avec la vitesse spécif ique (fig. 1.5.)

3.4. Cavitation et hauteur de suspension

Le phénomène de cavitat ion peut se produi re dans une turb ine si localement la pression absolue devient inférieure à la tension de vapeur d'eau (soit environ 22 mm de mercure o u 0,30m d'eau) ; l'eau se vaporise part iel lement, il se forme des bulles con tenan tun mé langedevapeurd 'eau et de gaz dissous. Lorsque ces bulles at teignent des zones à pression plus élevée, la vapeur qu'elles cont iennent se condense brutalement entraînant des implosions très violentes qui génèrent des v ibrat ions et peuvent induire une usure accélérée des aubes de la roue.


La cav i ta t ion peut être engendrée soit par un accroissement de vitesse se traduisant par une baisse corré lat ive de pression locale, soit par une réduct ion de pression. L'aspirateur produisant une réduc t ion de la pression en sort ie de roue favorise l 'apparit ion de la cavitat ion.

La cond i t i on d'appar i t ion de la cavi tat ion dépend de la hauteurdesuspens ion Hs (ou hauteur d 'aspirat ion) de la roue, c'est-à-dire de la différence entre les cotes de la sect ion de sort ie de la roue et du niveau de l'eau dans le bief aval. Pour une roue donnée, la relat ion suivante donne la hauteur de suspens ion au-dessus de laquel le les phénomènes de cavitat ion sont à cra indre:

H s ^ ( H a — Hv) — a . H n

Ha et Hv sont repect ivement la pression atmosphér ique et la pression de vapeur saturante expr imées en mètres d'eau.

o appelé coeff ic ient de cavi tat ion (ou deThoma) cr i t ique, est fonct ion de la vitesse spéc i f i que de la roue. Il varie g rosso-modo de 0.03 à 1.8 lorsque la vitesse spéci f ique passe de 80 ( turb ine FRANCIS lente) à 900 ( turbine KAPLAN) .

PERiPHERiE V2u

figure 1.8. : Allure des triangles des vitesses pour des turbines FRANCIS et KAPLAN,

figure 1.8. : Aspect of velocities diagrams for FRANCIS and KAPLAN turbines.

4. L'ENVIRONNEMENT DU POISSON LORS DE SON TRANSIT A TRAVERS UNE TURBINE

Les variat ions de vitesse et de pression que subit un poisson lors de son transit dans une turbine ont été schématisées sur la f igure 1.9.

C O N D U I T E

I P r e s s i o n a b s o l u e

D I S T R I B U T E U R

V i t e s s e a b s o l u e

T U R B I N E

TURBiNE A ACTION

P1, pression en enue'e de roue

P 2 , pression en sortie de roue

R O U E

i r

N I V E A U A V A L

, • ' V I

P 1 : P 2 = P a t m .

P a < m Pression

Vitesse

Press ion abso lue

V i t e s s e a b s o l u e

TURBINE A REACTION

0 P « m

EVOLUTION DES PRESSJONS ET DES VITESSES

P. V.

figure 1.9. : Évolution des pressions et des vitesses dans les turbines à action et à réaction, (d'après VIVIER, 1966).

figure 1.9. : Water pressures and flow velocities through impulse and reaction turbines, (from VIVIER, 1966).


Les vitesses de l'eau au niveau de la prise d'eau et dans les canaux de fuite en aval de l 'aspirateur de la turb ine sont généralement inférieures à 2 m/s. A cette vitesse, le poisson peut éviter sans p rob lème les obstacles et la probabi l i té de mortal i té est très faible. La seule possibi l i té de d o m m a g e se produi t au niveau des gri l les lorsque leur écartement ne permet pas le passage du po isson et qu' i l n'existe par ai l leurs aucun exutoire possible à proximi té pour ce dernier : devant lutter con t re des vitesses de l 'ordre de 1 m/s à 1,5 m/s, le poisson finit par s'épuiser au bout d'un cer ta in temps et vient se plaquer et mour i r sur la gr i l le.

En aval de la prise d'eau, lors de son transit dans la turbine, le poisson est soumis à des vi tesses plus fortes et à des variat ions de pression beaucoup plus brutales qu'i l ne peut en subir dans son env i ronnement naturel.

Il conv ient de dist inguer les turbines à action et à réact ion.

Dans les turbines à act ion — PELTON, par exemple —, toute l'énergie mise à disposi t ion de la roue est sous forme d'énergie c inét ique, c'est-à-dire de vi tesse: la vitesse du jet, voisine de 0,97x( 2g H n ) 0 5 , peut varier de 5 0 m / s à près de 150m/s pour les chutes les plus fortes. Avec M O N T E N (1985) et EICHER (EPRI, 1987), on considérera que la probabi l i té de survie du poisson t rans i tant dans une turb ine PELTON est minime : même si sa tail le lui permet de passer dans l ' in jecteur sans dommage, il ne devrait pas survivre à l 'extrême brutal i té des variations de pression (p lus ieurs dizaines de bars en une fract ion de seconde) et de vitesse à l'entrée de la roue. En règle généra le , les cours d'eau à grands migrateurs (saumon, alose...) ne sont fort heureusement pas concernés par ce type de turb ine ; par contre, le problème peut se poser pour les juvéniles de truites au niveau de certains aménagements de moyenne montagne.

Dans les turbines à réact ion, de type FRANCIS ou KAPLAN, que l'on rencontre f réquemment sur les cours d'eau à grands migrateurs, les vitesses sont généralement inférieures à celles atteintes dans les turb ines de type PELTON. Par contre, la pression peut descendre bien en-dessous de la pression atmosphér ique, en part icul ier en sortie de roue et dans l'aspirateur.

L 'écoulement, possédant une vitesse encore relativement modérée dans les canaux ou condu i tes menant à la turbine, subit une accélération au passage des prédirectr ices et des direct r ices pour at te indre un max imum au passage de la roue, max imum pouvant se situer entre 6 m/s et plus de 40 m/s en fonct ion de la chute, de l'ouverture et du degré de réaction de la turbine. A ces vitesses, il conv ient de considérer le poisson comme un objet inerte, incapable d'éviter un obstacle.

Un autre paramètre important, rarement soul igné par les auteurs, sauf par MONTEN (1985), est la vitesse relative de l'eau, et partant du poisson, par rapport aux aubes ou aux pales de la roue : si choc il y a, les dommages seront d'autant plus importants que la vitesse relative est forte. Dans les turb ines FRANCIS, cette vitesse relative en entrée de roue peut varier suivant la chute de 4 m/s à plus de 2 0 m / s à pleine ouverture ; elle d iminue cependant considérablement à ouverture partielle.

L 'augmentat ion de la vitesse spécif ique entraîne celle de la vitesse relative qui devient sens ib lement plus élevée que la vitesse absolue: dans les turbines KAPLAN, cette vitesse peut varier de 7 m/s à plus de 3 0 m / s ; elle d iminue relativement peu lorsqu'on réduit l 'ouverture des pales (f ig. 110 ) .

Il existe une autre di f férence fondamentale lorsqu'on considère les champs des vitesses dans les deux types de roues: dans les turbines FRANCIS, les vitesses absolues ou relatives en entrée sont re lat ivement homogènes sur toute la hauteur de l'aube (en part icul ier dans le cas des FRANCIS à faible vitesse spécif ique), ces vitesses étant cependant susceptibles de varier considérablement suivant l 'ouverture des directr ices. Par contre, dans les turbines KAPLAN, les vitesses absolues en entrée augmenten t de la pér iphér ie vers le moyeu, leur rapport étant dans celui des diamètres de la roue et du moyeu ; les vitesses relatives, à l'inverse, d iminuent considérablement de la périphérie au moyeu. Cette hétérogénéité des vitesses d'un point à l'autre de la roue est beaucoup plus importante que la var iat ion de ces mêmes vitesses en un point donné résultant d'une modi f icat ion des cond i t ions de fonct ionnement (ouverture ou fermeture) de la roue. On peut supposer a priori que les cond i t ions de passage du poisson pourront êtretrès différentes dans une roue KAPLAN suivant qu' i l aborde la roue près du moyeu ou au contraire à la périphérie (fig. 1.10).

En sor t ie de roue, la vitesse absolue peut varier de 3 m/s à 7 m/s environ, pour descendre à 2 m/s — voire moins sur les très basses chutes — en sort ie d'aspirateur.

Le poisson subit une augmentat ion progressive de pression de la prise d'eau à l'entrée de la roue. En une fract ion de seconde, au passage de la roue, il est soumis à une brutale d iminut ion de pression, la dépression par rapport à la pression a tmosphér ique pouvant atteindre plusieurs mètres d'eau. Le poisson repasse progressivement à une valeuT voisine de la pression atmosphér ique en sort ie de di f fuseur.

//. Fr. Pêche Piscic. (1989) 312 - 313 — 15 —

U 1 : 2 9 , 1 3 m / s

T U R B I N E F R A N C I S DE P O U T E S

( C H U T E DE 6 1 m . V i T E S S E C € R O T A T I O N 4 2 8 T o u r s / m n )

U1 - 1 8 , 3 - r n / s

TURBINE K A P L A N DE FOSTER ( d ' a p r è s BELL )

( C H U T E DE 2 6 m , V I T E S S E DE ROTATION 257 T o u r s / m n )

figure 1.10. : Évolution des vitesses en entrée de roue en fonction de l'ouverture pour des turbines FRANCIS et KAPLAN.

figure 1.10. : Inlet velocities for various openings in FRANCIS and KAPLAN turbines.


II - REVUE BIBLIOGRAPHIQUE

1. H I S T O R I Q U E Le p rob lème de la l ibre c i rcu lat ion des poissons migrateurs au niveau des centrales hydro

é lec t r iques a été ressenti depuis longtemps en Europe. Les premières études théoriques ou expér i mentales sur le transit des poissons dans les turbines ont vu le jour en Suède, en Al lemagne et en France dans le début des années 30, menées par ALM (1927, in MONTEN, 1985), LUNDBECK (1927, in O T T E R S T R O M , 1931), S C H M A S S M A N (1928, in KREITMANN, 1931), KREITMANN (1931) et O T T E R S T R O M (1931, 1932).

Les premières ex péri mentat ions à grande échelle ont été lancées à l'usine de Bonnevi l le sur la r ivière C o l u m b i a peu après sa const ruc t ion, en 1939 (HOLMES, in LUCAS, 1962). De nombreuses autres études, tou jours sur la Côte Ouest du cont inent Nord-Amér ica in , leur succèdent : on citera les expér imenta t ions effectuées sur les centrales de Baker (HAMILTON et ANDREW, 1954), d'Elwha ( S C H O E N E M A N et al., 1961), de Seton Creek (ANDREW et GEEN, 1958) deCushman (CRAMER et O L I G H E R , 1964), de Shasta (U.S. Army Corps of Engineers, 1963), de Big Cliff (OLIGHER et D O N A L D S O N , 1966 ! U.S. Army Corps of Engineers, 1979), de Rock Island (OLSON et KACZYNSKI , 1980) et de Foster (BELL et BRUYA, 1981 ) Les expérimentat ions ont porté pour la plupart sur des juvéni les de salmonidés.

Les expér imentat ions effectuées sur la Côte Est des États-Unis et du Canada sont beaucoup plus l imitées et concernent pour la plupart des aménagements de tailles plus modestes. On ment ionnera dans les provinces mari t imes du Canada les essais à Tob ique Narrows (Me EARCHERN, 1960), à Tusket (SMITH, 1960, 1961), à Malay Falls (SEMPLE, 1979) et plus récemment à Lequi l le (Montrea l Engineer ing Company, 1981 ; 1982). En Nouvel le Angleterre, le U.S. Fish and Wi ld l i fe Serv ice a d i r igé une série d 'expér imentat ions dans le cadre des programmes de protect ion et de restaurat ion des populat ions de certaines espèces migratr ices (saumon at lant ique, alose) lancés il y a une v ingta ine d'années : à la centra le d'Holyoke (rivière Connect icu t ) avec des smolts, des juvéni les et des adultes d'aloses (KYNARD et al., 1982; BELL et KYNARD, 1985), à la centrale d'Essex (r ivière Merr imack) avec des smolts (KNIGHT et KUSMESKUS, 1982) à la centrale de Col l iersv i l le (rivière Susquehanna) , avec des smolts, des truitel les arc-en-ciel , des alosons et des juvéni les de bars rayés (GLOSS et WAHL, 1983).

En Europe, à part quelques expérimentat ions effectuées en Ecosse aux aménagements d ' Invergarry et de Clunie (MUNRO, 1965) et récemment en A l lemagne sur la rivière Neckar (BERG, 1985), toutes les expér imentat ions ont été menées en Suède, par M O N T E N et ses col laborateurs, no tamment aux aménagements de Motala, Hemsjô, Stornorr fors, Langgôl et Angabàck, plus part i cu l iè rement sur des jeunes saumons et des anguilles (MONTEN, 1985).

2. M É T H O D O L O G I E EXPÉRIMENTALE

2 .1 . Généralités

Plusieurs méthodes expér imentales ont été développées pour évaluer des dommages subis par les po issons lors de leur transit à travers une turb ine. Ces méthodes ont évolué au fil du temps et de l 'expér ience : de l 'évaluation à long terme à partir de techniques simples de marquage au stade juvéni le et de recapture à l'état d'adulte plusieurs années après leur passage à travers la turbine, à l 'évaluat ion immédiate à part ir des techniques plus sophist iquées de radiotélémétrie.

2.2. Estimation des mortalités juvéniles à partir du taux de retour à l'état adulte.

L'une des premières méthodes uti l isées pour estimer le taux de mortal i té des juvéniles lors de leur passage au travers d'une turb ine a consisté à marquer d i f féremment des lots de poissons relâcnés en amont et en aval de la turb ine. Le taux de mortal i té était obtenu quelques années plus tard , par d i f férence entre les taux de retour au stade adulte de ces différents lots.

Les premières études à apporter des résultats exploi tables ont été celles menées au barrage de Bonnev i l le par HOLMES de 1938 à 1948 (EICHER, 1987). Des expér imentat ions basées sur le même pr inc ipe ont été entreprises au Canada (barrage de Baker) par HAMILTON et ANDREW (1954) et en Suède à l 'aménagement de Stornorrfors de 1967 à 1971 (MONTEN, 1985), aménagement don t l ' importance (débit tu rb iné maximal de 600m 3 / s ) rendait di f f ic i le le recours à des techn iques plus immédiates.

Pour donner des résultats exploitables, cette méthode nécessite des taux de recapture suf f isants ainsi que le marquage de plusieurs dizaines, voire centaines, de mill iers de poissons.

2.3. Estimation des mortalités à partir des recaptures immédiates du poisson

2.3.1. Confinement du poisson

Af in d'accélérer l 'obtent ion de résultats, les expér imentateurs ont cherché à recapturer les poissons immédiatement après leur passage dans la turbine. Pour fac i l i ter leur récupérat ion dans le


canal de fuite, chaque poisson est enfermé dans une enveloppe ou une boîte. Cette méthode a été uti l isée en Suède dans les années c inquante pa rCARL IN , puis p a r M O N T E N (MONTEN, 1985) dans le but de mettre en évidence l'effet de la pression sur le po isson : celui-c i est enfermé dans une boîte en balsa; un compar t iment annexe, rempli d 'un lest, permet à l 'ensemble d'être entraîné dans la turbine. Le lest est f ixé par du papier ou de la col le hydroso lub le de tel le sorte qu' i l se détache de la boîte après une brève expos i t ion à l'eau. La boîte remonte alors à la sur face dans le canal de fui te où elle peut être faci lement récupérée. Les taux de recapture, por tant sur des lots de plusieurs centaines de poissons, ont dépassé 95%.

Cette technique a été reprise et adaptée aux États-Unis (US Army Corps of Engineers, 1956) : les poissons sont in t rodui ts dans un sac de toi le attaché à deux bal lons en baudruche autogonf lables et un sac en papier contenant un lest. Une fois lâché, l 'ensemble est entraîné dans la prise d'eau où le sac en papier, désagrégé, l ibère le lest. A la sort ie de la turb ine, les ballons gonflés font remonter l 'ensemble à la surface. Sur la rivière Co lumbia , aux aménagements de Bonnevi l le et McNary, les taux de récupérat ion sur plusieurs mil l iers de poissons ont été supér ieurs à 80%.

2.3.2. Injection et recapture immédiate par filtration

La méthode la plus radicale consiste à injecter le po isson à l'aide d'un tuyau le plus près possible de l'entrée de la roue et à le récupérer immédiatement à l'aval, en f i l trant à l 'aide d'un fi let conique (f ig. 2.1.) tout le débit de la turb ine. Il est ainsi théor iquement possible de récupérer la total i té des poissons injectés. C'est la méthode développée en 1960àCushman par l'US Army Corps of Engineers et uti l isée systémat iquement par la suite à Shasta (1962), Big Cliff (de 1964 à 1967) et Foster (1979). Le fi let est d i rectement f ixé sur l 'aspirateur de la t u rb i ne ; son extrémité aval conduit à un vivier supporté par un radeau dam lequel sont récupérés les poissons (CRAMER et D O N A L D S O N , 1964). Malgré la f i l t rat ion totale du débit de la turb ine, les pourcentages de recapture se révèlent assez variables (ent re45 et 95%), les pertes étant at t r ibuées à des déchirures du filet et au fait que dans certaines c i rconstances les poissons parviennent à se maintenir dans le f i let, ce qui peut induire par ai l leurs des mélanges entre di f férents lots.

Cette même méthode a été uti l isée sur la Cote Est des États-Unis à lacent ra ledeCol l ie rsv i l le sur la rivière Susquehanna (GLOSS et al., 1982). Elle s'est révélée satisfaisante sur les juvéniles de salmonidés ; elle est par cont re apparue peu adaptée aux espèces plus fragi les comme les juvéniles d'alose et de bar rayé: la mortal i té attr ibuée à la méthode de recapture a varié de 39 à 8 5 % pour ces espèces, comparat ivement à 0 ,5% pour les salmonidés.

Lorsque, pour une raison que lconque — impor tance de débit , conf igura t ion du site — la méthode ci-dessus devient d i f f ic i le à mettre en œuvre, un échant i l lonnage plus ou moins lo in à l'aval de la turb ine peut être effectué (f ig. 2.1.).

figure 2.1. : Dispositifs de récupération des poissons utilisés lors des expérimentations sur le transit des poissons à travers les turbines,

figure 2.1. : Recovery nets used tests on fish passage through hydraulic turbines.


Au barrage de Baker, H A M I L T O N et ANDREW (1954) instal lent leur engin de pêche dans les premiers mètres du canal de fui te et parviennent ainsi à récupérer 5 % des 25.000 poissons. A Big Cli f f et McNary (SCHOENEMAN et al., 1954), l 'échanti l lonnage est ef fectué respectivement sur près de 10 km et 210 km du point d ' in ject ion. Les taux de recapture atteignent respectivement 4 0 % et 1 %, la d i f férence s 'expl iquant par l 'é loignement des stations d 'échant i l lonnage à McNary et par l 'étroi-tesse de la r ivière à l'aval de Big Cliff l imitant la dispersion des poissons.

Sur les aménagements des rivières Columbia et Snake, sur la Côte Ouest des États-Unis, une part ie des juvéni les transi tant au niveau des usines hydroélectr iques restent piégés dans les puits de batardage des turb ines. L 'est imat ion de la mortalité subie par les juvéniles sur les instal lat ions amont peut se faire par s imple échant i l lonnage dans ces puits. Sur 280.000 poissons lâchés dans les turb ines à Ice Harbor, 7 % ont été récupérés dans les puits à l'usine de McNary située 72 km à l'aval ( LONG ef al., 1968). Sur 685.000 juvéniles marquésà Rock Island, près de 18% ont été récupérés au niveau des 5 instal lat ions aval (OLSON et KACZYNSKI , 1980).

2.4. Radiotélémétrie

La techn ique du radiopistage a été adaptée récemment à l 'évaluation des dommages subis par les migrateurs lors de leur passage à travers les turbines. Un émetteur radio est f ixé sur le poisson qui peut être local isé et suivi après son passage dans la turbine. La miniatur isat ion des émet teurs rend possible leur in t roduct ion dans l 'œsophage de poissons d'une vingtaine de cent imètres de longueur .

Si lors des premiers essais menés au barrage d 'Ho lyoke sur la rivière Connect icu t en 1981, la morta l i té sur les lots témoins de smol ts a atteint 7 ,5% (KYNARD et al., 1982), elle est devenue ins igni f iante en 1982 (STIER et KYNARD, 1986). La mortal i té sur les lots témoins d'aloses adultes, ayant atteint 3 8 % en 1981 (KYNARD et al., 1982), est passée à 1,6% en 1982 (BELL et KYNARD, 1985).

2.5. Conclusions

Dif férentes méthodes ont été uti l isées pour l 'évaluation des mortal i tés des poissons lors de leur transi t par une turbine.

— La méthode d'évaluat ion des taux de mortalité par comparaison des taux de retour de différents lots de poissons marqués au stade juvéni les ne demande que peu de matériel et peut être util isée quel le que soit l ' importance de l ' installation. El le permet d' intégrer l'effet du mil ieu sur les poissons blessés ou stressés, en part icul ier celui de la prédat ion, dont le pourcentage peut être du même ordre de grandeur que celui des mortalités directes lors du transit à travers la turbine. Cette méthode possède toutefo is le doub le inconvénient de nécessiter un grand nombre de poissons, du fait de la faiblesse des taux de retour et de recapture des adultes, et de demander des délais très longs entre le moment du marquage et celui où il devient possible d'obtenir une est imat ion correcte de la morta l i té.

— La méthode par conf inement du poisson présente peu d'avantages : outre le fait qu'el le devient inappl icab le dès que l 'espacement entre aubes et directr ices ou entre aubes est réduit — les boîtes en balsa sont brisées et toute récupération devient alors impossible —, il est di f f ic i le d'évaluer le biais indui t par le con f inement du poisson, que ce soit dans un sens ou dans l'autre.

— L' in ject ion du poisson dans la tu rb ine et la récupération immédiate par f i l t rat ion totale du débit a généra lement donné de bons résultats grâce à des taux de récupérat ion élevés. Cependant le matér ie l uti l isé est souvent lourd à mettre en oeuvre (nappes de filet de surfaces importantes, p rob lème de sa f ixat ion sur l 'aspirateur et de sa manipulat ion), l ' importance du débit à fi ltrer étant le facteur l imitant. C'est la seule méthode permettant la recapture de tous les poissons morts et partant leur examen en vue d'appréhender l 'origine des dommages.

— L'évaluat ion de la mortal i té par échant i l lonnage à l'aval est une opérat ion moins lourde que la f i l t ra t ion totale. Cette méthode présente cependant les inconvénients propres à tout échant i l l onnage : les taux de recapture souvent limités imposent l ' inject ion d'un nombre de poissons considérable, la fraction recapturée doit être représentative de la populat ion, et les engins de pêche exempts de toute sélectivité. Bien souvent, les auteurs ont dû recourir à des calculs correctifs plus ou moins discutables afin d'établir une est imat ion de la mortal i té, l 'efficacité de pêche étant s igni f icat ivement di f férente sur les poissons vivants et les poissons morts.

— La radioté lémétr ie s'est révélée une méthode efficace, quel le que soit l ' importance de l'insta l la t ion. La méthodolog ie est s imple et légère à mettre en oeuvre. Elle ne nécessite pas un nombre excessif de poissons. S o n inconvénient majeur réside dans un coût élevé, surtout si cer ta ins émetteurs ne peuvent pas être récupérés.


3. RÉSULTATS

3.1. Généralités

On peut d ist inguer dans la l i t térature deux types d 'expér imentat ions:

— celles effectuées sur un site donné dans le but d 'obtenir le plus rapidement possible un ordre de grandeur des mortal i tés potentiel les dans les cond i t ions de fonct ionnement habituelles de la roue et cela pour les espèces migratr ices présentes dans la rivière.

— celles, beaucoup plus approfondies et systématiques, effectuées à t i tre explorato i re dans le but de mettre en évidence l ' influence de certains paramètres de la géométr ie de la roue et de ses cond i t ions de fonct ionnement sur les mortal i tés et sur le type de dommage ; les turbines ont alors souvent été testées jusque dans leurs cond i t ions extrêmes de fonct ionnement.

On a repris dans les tableaux A-l à A-VI donnés en annexe A la majori té des résultats concernant les expér imentat ions sur le transit des poissons dans les turbines. La plupart des données afférentes aux expér imentat ions effectuées en Amér ique du Nord ont été extraites des rapports de synthèse d e T U R B A K e f a / . . (1981 ) et BELL et al.. (1967). Les données sur les expér imentat ions suédoises ont été tirées de MONTEN (1985).

Dans les quatre premiers tableaux ont été données les caractérist iques et les condi t ions de fonct ionnement — lorsque celles-ci sont connues — des turbines sur lesquelles ont porté les expér imentat ions. Dans les tableaux A-V et A-VI ont été reportées les données biologiques (espèces, tail le, âge...) sur les poissons const i tuant les lots-tests, ainsi que, chaque fois qu'elles étaient d isponibles, des indicat ions sur la méthodolog ie uti l isée, l ' importancedes échant i l lons et les pourcentages de récupérat ion.

La majori té des expér imentat ions, que ce soit sur les turbines FRANCIS ou KAPLAN, ont porté sur des juvéni les de salmonidés.

Un premier examen des tableaux afférents aux turbines FRANCIS met en évidence des pourcentages de mortal i té très variables : ils varient de 0 % à Lower Elwha à près de 100% à Crown Zel lerbach. Leur moyenne et médiane sont de l 'ordre de 37%, les premiers et troisièmes quart i las sont respectivement voisins de 28 % et 51 %. Les pourcentages peuvent varier sensiblement sur une même instal lat ion, suivant les condi t ions de fonc t ionnement de la turbine.

Les dommages observés lors du transit à travers des turbines KAPLAN ou des groupes bulbes sont généralement inférieurs (de 0% à 30%). Moyenne et médiane des pourcentages de mortal i té sont de l 'ordre de 9 %, les premiers et troisièmes quart i les sont respectivement voisins de 7 % et 15 %.

Les taux de mortal i tés peuvent cependant devenir beaucoup plus importants sur d'autres espèces, comme les clupéidés. beaucoup plus fragiles, ou les angui l les, probablement à cause de leur taille.

Lors des di f férentes expér imentat ions, les auteurs constatent généralement p lus ieurs types de dommages :

— les dommages d'ordre mécanique, causés par le contact p lus ou moins violent du poisson avec un organe f ixe ou mobi le de la turbine.

— les dommages causés par l 'exposit ion du poisson à des cond i t ions de pression très rapidement variables au passage de la roue.

— les dommages attr ibués à l 'action de cisai l lement, consécut i fs au passage du poisson dans des zones à tu rbu lence extrême ou à très forts gradients de vitesse.

— les dommages attr ibués à la cavi tat ion, causés par le passage du poisson dans les zones où la pression devient infér ieure à la tension de vapeur d'eau.

3.2. Expérimentations sur modèles réduits

3.2.1. Expérimentation de Motala en Suède ( M O N T E N , 1985)

Ces expér imentat ions ont été effectuées sur des modèles de roues FRANCIS et KAPLAN entre 1952 et 1954 dans le but

— de comparer les blessures infl igées par ces deux types de turbines d'un diamètre ident ique (0.60 m) fonc t ionnant à débit voisin (respectivement de 0.8 à 1,26 m 3 /s) sous une même chute (14,6 mètres), les vitesses de rotat ion nominales étant respect ivement de 381 et 598 t rs /mn.

— de mettre en évidence l ' inf luence du degré d'ouverture, de la vitesse de rotat ion, de l 'espacement entre d is t r ibuteur et aubes sur la mortal i té dans la tu rb ine FRANCIS.

Les essais ont montré (fig. 2.2.) que le pourcentage de morta l i té augmentai t avec la tai l le du poisson pour les deux turbines. A tail le égale, les pourcentages de mortal i té étaient sensiblement moins importants sur les salmonidés que sur les autres espèces (vairons, perches).


% mor ta l i t é

80

70

60

50 -I

AO

30

20

10

0

Turbine K A P L A N

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Taille du poisson en cm

pleine charge

m i - charge

% mortal i té

80

70-

60-

50

AO

30

20

10-1

Turbine FRANCIS

5 6 7 8 9 10 Tl 12 13 % 15 Tail le du poisson en cm

figure 2.2. : Influence de la taille du poisson et du régime de fonctionnement sur la mortalité pour deux modèles de turbines FRANCIS et KAPLAN (d'après M O N T E N , 1985).

figure 2.2. : Relationship between fish size, load and losses for two model FRANCIS and KAPLAN turbines (from MONTEN, 1985).

Bien que la di f férence soit faible, les mortalités semblent moins importantes sur la turb ine K A P L A N que sur la tu rb ine FRANCIS, les deux turb ines fonct ionnant à pleine ouverture. Les types de blessure dif fèrent cependant : le pourcentage de poissons coupés en deux atteint 3 6 % sur la K A P L A N alors qu'i l ne dépasse pas 1,6% sur la FRANCIS. Par contre, le pourcentage des poissons morts sans marque apparente de blessure atteint 6 2 % sur la FRANCIS, cont re 18% sur la KAPLAN.

Les mortal i tés sont plus faibles à demi-ouverture qu'à pleine ouverture sur la turb ine FRANCIS, a lors que l 'ouverture sur la KAPLAN ne semble pas affecter la mortal i té.

Les résultats sur l ' inf luence de l 'espacement entre aubes et directr ices sur la mortal i té dans la tu rb ine FRANCIS ne sont pas très probants dans la mesure où la vitesse de rotat ion n'a pas été gardée cons tan te d'un essai à l'autre. Enfin l ' influence de la vitesse de rotat ion n'a été mise en évidence que sur les poissons de grande taille.

Bull. Fr. Pêche Piscic. (1989) 312 - 313 — 21 -

3.2.2. Expérimentations du U.S. Army Corps of Engineers (CRAMER et OLIGHER, 1964; VON GUNTEN, 1961)

Deux modèles réduits de turbines FRANCIS et KAPLAN de 30 cm de diamètre ayant respectivement 15 aubes et 6 pales ont été uti l isés dans le but de mettre en évidence l ' inf luence des condi t ions de fonct ionnement (chute, vitesse de rotat ion, hauteur de suspension...) sur les mortal ités de poissons de différentes espèces et tail les.

Les essais sur la roue KAPLAN ont mis en évidence :

— une augmentat ion de la mortal i té avec la vitesse de rotat ion pour une chute donnée.

— une augmentat ion de la mortal i té avec la hauteur de suspension de la roue, la chute et la vitesse de rotat ion restant constantes.

Sur la roue FRANCIS, les essais ont montré que :

— la mortal i té augmentai t avec la chute, la vitesse de rotat ion étant conservée à sa valeur nomi nale (1) pour chaque chute.

— la mortal i té augmentai t lorsque la vitesse de rotat ion était abaissée au-dessous de sa valeur nominale, la charge étant conservée constante.

— quelles que soient la vitesse de rotat ion et la chute, la mortal i té augmentai t lorsqu'on fait apparaître le phénomène de cavitat ion en abaissant le niveau aval. Contra i rement aux expér imentat ions suédoises, ces essais ont montré que le passage à travers la turb ine FRANCIS entraînait des mortal i tés légèrement moins importantes qu'à travers la roue KAPLAN, les deux turbines fonct ionnant sous même chute à leur vitesse de rotat ion nominale. Des essais complémentai res sur la turb ine FRANCIS ont mis en évidence une d iminut ion signif icat ive de la morta l i té lorsque l 'espacement entre directr ices et aubes était augmenté.

3.3. Études sur prototypes de turbines FRANCIS

On mettra l 'accent sur les expér imentat ions au cours desquelles ont été miseen évidence des relat ions entre mortal i tés et condi t ions de fonc t ionnement de la turbine.

Entre 1960 et 1962, l'U.S. Army Corps of Engineers a effectué des expér imentat ions sur des jeunes salmonidés (tailles variant de 6 à 15 cm) à la centrale de Cushman, dont les turbines, de2,1 m de diamètre et tournant à 300 t rs /mn, fonct ionnaient sous 140m de chute (CRAMER e tOL IGHER, 1964).

Les résultats ont mis en évidence une corré lat ion entre pourcentage de survie et rendement hydraul ique de la turb ine (fig. 2.3). Les dommages d 'or ig ine mécanique sont plus importants que ceux attr ibués à la pression, ces derniers augmentant lorsque les essais sont effectués à niveau aval bas.

Les essais sur modèle réduit ayant démont ré par ai l leurs l ' influence de la vitesse de rotat ion et du clair entre aubes et directr ices sur le pourcentage de survie, I' U.S. Army Corps of Engineers lança une série d'essais comparat i fs à la centrale de Shasta équipée de turbines d'un diamètre plus important (4 ,5m), fonct ionnant sous une chute vois ine de 130m et tournant à 138,5t rs /mn (U.S. Army Corps of Engineers, 1963).

C o m m e il était prévisible, les pourcentages de survie se sont révélés plus importants à Shasta qu'à Cushman. Les tests ont aussi mis en évidence une s imi l i tude des courbes de pourcentage de survie et de rendement (f ig. 2 .3) .

De ces deux séries d'expérimentat ions, les auteurs ont conclu que pour minimiser les dommages sur une roue FRANCIS, il convenait d 'adopter dans la mesure du possible :

— des vitesses de rotat ion faibles

— des rendements hydraul iques opt imaux

— un calage de la turb ine tel que les dépressions en sort ie soient minimisées

— des espacements entre directr ices et aubes maximaux.

A l 'usine de Malay Falls au Canada, équipée d'une turb ine de 1,66 m de diamètre fonct ionnant sous 12 m de chute, aucune relation signif icat ive entre taux de mortal i té et ouverture n'a été miseen évidence (SEMPLE, 1979). A l'usine d 'Upper-Hemjô, en Suède (MONTEN, 1985), équipée d'une petite roue FRANCIS de 0,97m de diamètre fonc t ionnant sous 16m de chute, les mortal i tés d iminuent très for tement à ouverture réduite.

( 1 ) Pour chaque chute , la vitesse de rotat ion était modi f iée de te l le sorte que la vitesse spéci f ique Ns reste constante.

Bull. Fr. Pêche Plscic. (1989) 312 - 313 - 22 —

figure 2.3. : Taux de survie des poissons en fonction du rendement de la turbine aux aménagements de Cushman et Shasta (d'après CRAMER et OLIGHER, 1964).

figure 2.3. : Relationship of fish survival to turbine efficiency, Cushman and Shasta hydroelectric projects (from CRAMER and OLIGHER, 1964).

Bull. Fr. Pêche P/sclc. (1989) 312 - 313 - 23 -

Les expér imentat ions les plus f ines ont été effectuées par RUGGLES et COLL INS (Montreal Engineer ing Company Limited, 1381 et 1982) à la centrale de Lequi l le en Nouvel le Ecosse, équipée d'une turb ine d'un diamètre voisin de 1,38 m tournant à 514 t rs /mn sous une chute moyenne de 118 mètres. Les essais ont montré que la mortal i té — variant de 15 à 76 % — était avant tout liée à la tai l le du poisson (f ig. 2.4.) ; l ' influence des condi t ions de fonct ionnement (degré d'ouverture des directr ices, in ject ion ou non d'air en sort ie de roue, etc. . ) ne paraît pas très signi f icat ive. Cependant, comme dans les deux expér imentat ions de Cushman et Shasta, le pourcentage de survie maximal se produi t au voisinage du point de rendement maximal.

% m o r t a l i t é

100 ,

90

30

14 15 16 17 18 19

A 1 0 0 % d 'ouver tu re des d i rec t r i ces

• 75 %

3 5 0 %

O 2 0 %

Tai l le moyenne des poissons en cm

figure 2.4. : Taux de mortalité des juvéniles de saumons en fonction de leur taille pour les différentes ouvertures testées à Lequille (d'après Montreal Engineering Company Ltd., 1981).

figure 2.4. : Relationship of Salmon mortality to mean length at each gate opening tested, Lequille (from Montreal Engineering Company Ltd., 1981).

Bull. Fr. Pêche Plscic. (1989) 312 - 313 — 24 —

3.4. Études sur des prototypes de turbines KAPLAN et BULBE

Les expér imentat ions de référence sur le transit à travers les turbines KAPLAN sont celles ef fectuées par S C H O E N E M A N de 1955 à 1957 (SCHOENEMAN et al., 1961 ) à McNary et Big Cliff sur la Cô te Ouest des États-Unis. Ces turb ines équipent des chutes voisines de 30 m, et ont pour d iamèt res respect i fs 7 ,10m et 3,68m, les vitesses de rotat ion étant de 86 t rs /mn et 164t rs /mn. A u c u n e d i f férence signif icat ive sur la mortal i té (11 % en moyenne) n'a été miseen évidence entre les deux tu rb ines fonct ionnant à même ouverture. A Big Cliff, la mortal i té s'est révélée plus importante (21 %) à ouver tu re réduite des directr ices (40%) qu 'à 75-80% d'ouverture (9%). SCHOENEMAN suggère que cet te di f férence est due à l 'augmentat ion de la cavi tat ion consécut ive à la fermeture des d i rec t r ices .

Les essais se poursuiv i rent à Big Cli f f plusieurs années (OLIGHER et DOLNALSON, 1966; U.S. A r m y Corps of Engineers, 1979). Les tests ont été effectués à plusieurs ouvertures du point d 'appar i t ion de la cavitat ion à la pleine charge et cela pour trois hauteurs de chute. Comme pour les tu rb ines FRANCIS , le pourcentage de survie maximal cor respond prat iquement aux condi t ions de rendement hydrau l ique opt imal de la turb ine (fig. 2.5.).

Sui te aux essais de Big Cliff, des expérimentat ions furent effectuées à la centrale de Foster équ ipée d 'une roue de 2,5 m de diamètre, tournant à 257 t rs /mn sous une chute voisine de 30 m (BELL et BRUYA, 1981 ). Les essais consistèrent à faire fonct ionner la turbine, pour une ouverture de pale donnée, à ouvertures de directr ices variables et cela pour plusieurs chutes. Les résultats mon t ren t qu 'à ouverture de pale donnée, la courbe de survie suit la courbe de rendement. Le taux max ima l de survie, quel le que soit la chute, est obtenu avec un degré d'ouverture des pales de 25%, co r respondan t à un angle de calage des pales de 15°. Ni l'effet des variations depress ion au passage de la roue, ni l'effet de la cavi tat ion n'ont pu être mis en évidence de façon très nette.

% survie et rendement

100 -

90 .

80 •

70 -

s u r v i e

_. - - • • - - . rendement

30 AO 50 60 70 80 90 100 debi t en m 3 / s

figure 2.5. : Taux de survie des poissons en fonction du rendement de la turbine à l'aménagement de Big Cliff (d'après OLIGHER et DONALDSON, 1966).

figure 2.5. : Relationship of fish survival to turbine efficiency, Big Cliff hydroelectric project (from OLIGHER and DONALDSON, 1966).

3.5. Expérimentations sur d'autres types de turbines

Deux roues de type OSSBERGER ont été testées au barrage de Coll iersvi l le sur la rivière Susquehanna (GLOSS ef al., 1982) : d 'un diamètre de 1 m et 1,25m, elles turbinent au maximum respect ivement 8,5 m 3 /s et 11,5 m 3 / s sous une chute voisine de 10 m. Leur vitesse de rotat ion est de 1 3 5 t r s / m n et 104t rs /mn.

Les pr inc ipaux résultats portent sur les salmonidés (juvéniles desaumon, de trui te steel head, t ru i te arc-en-c ie l ) . Ils montrent que la mortalité est très for tement corrélée à la tail le du poisson ( f ig. 2.6.). Par contre, le régime de fonct ionnement des turbines ne semble avoir aucune inf luence s ign i f icat ive.


ARCSIN(Vo mor ta l i té )

7 0 ,

1/2

y =0,17. 0,1 Sx

R= 0,89

10 12 % 16 18 20 22 24 26 28 Tail le des poissons en cm

• Saumon at lant ique

• Truite de mer

• Truite a rc - en - ciel

A R C S I N ( % mo r ta l i t é )

70

1/2

y : 6,47.0,19x

R= 0,81

T Ï r-

10 12 14 16 18 20 22 24 26 26 cm.

figure 2.6. : Taux de mortalité des poissons en fonction du diamètre de la roue et de la taille des poissons pour deux turbines OSSBERGER (d'après GLOSS et al., 1982).

figure 2.6. : Relationship of fish mortality to turbine diameter and fish length (from GLOSS andal., 1982).


3.6. Blessures

La recherche des causes de mortal i té à partir de l 'examen des différents types de blessures observées sur le poisson n'a été que rarement effectuée. On citera les travaux menésauxaménage-ments de Shasta, Cushmam et B ig Cliff (U.S. Army Corps of Engineers, 1963 et 1966), de Baker ( H A M I L T O N et ANDREW, 1954), deSe ton Creek (ANDREW e t G E E N . 1958), de Lequil le (Montreal Engineer ing Company Limi ted, 1981 et 1982) et de Motala (MONTEN, 1985).

Les blessures ont été classées généralement en trois catégories :

— les dommages d'or ig ine mécanique, résultant d'un contact plus ou moins violent du poisson avec un é lément f ixe ou mobi le de la turbine, se manifestant :

— extér ieurement, par des blessures superficielles comme des abrasions, des contusions, des lacérations, des hémorragies à la base des nageoires, des fractures de la co lonne vertébrale, par des blessures plus nettes comme des entail les allant jusqu'au sect ionnement du poisson,

— intér ieurement par des effets secondaires des chocs, comme des hémorragies dans les parois musculaires, dans divers organes ou dans la cavité générale, un dégonf lement de la vessie gazeuse suite à des perforations par des arêtes,

— les dommages attr ibués aux gradients de vitesse (cisai l lement, "shear ing") . Les blessures se caractér isent par des opercules retournés ou arrachés, des arcs branchiaux brisés, des isthmes rompus, voire la séparat ion totale du corps et de la tête,

— les dommages attr ibués aux phénomènes de pression, notamment aux dépressions brutales ou à la cavi tat ion. Ils se manifestent :

— extér ieurement par des exophtalmies, des hémorragies au niveau des yeux, des yeux crevés ou manquants, certaines parties du corps apparaissant "mâchurées" ("pulping") en l 'absence de trace d' impact,

— intér ieurement, par des hémorragies d'organes, l 'éclatement de la vessie gazeuse sans t race d' impact.

A part ir des expér imentat ions menées à Lequille, RUGGLES et COLLINS (Montreal Engineer ing C o m p a n y L imi ted, 1982) ont effectué une étudestat is t ique sur les dif férents types de blessure et leur re lat ion éventuel le avec les cond i t ions de fonct ionnement de la turb ine et la taille du poisson.

L 'ouverture des directr ices, bien que n'influençant que peu le taux de mortal i té g lobal , se fait sentir sur la d is t r ibut ion du type de blessure : à 6 0 % d'ouverture, la plus grande partie des dommages est composée d'hémorragies internes, de fractures et d'yeux manquants ou crevés. A 7 5 % d'ouverture, correspondant au rendement maximal , les hémorragies internes sont responsables de la major i té des mortal i tés. Par contre, à 90% et 100% d'ouverture, les poissons sect ionnés, le plus souvent au niveau de l ' isthme branchia l , composent entre 2 9 % et 4 9 % des poissons morts recapturés. Le taux de poissons sect ionnés ou présentant des fractures augmente signif icat ivement avec la tai l le.

Le pourcentage de mortal i té attr ibuée à la pression seule est estimé à 2,4% seulement.

Les auteurs at t r ibuent une forte proport ion des poissons sect ionnés ou présentant des fractures aux effets de cisai l lement à l 'entrée delà roue dans la mesure où le pourcentage ne semble pas lié à l 'espacement entre aubes et direct ri ces alors qu'i l semble augmenter avec le débit transitant dans la turb ine.

4. EFFETS DE LA PRESSION ET DE SES VARIATIONS

La plupart des auteurs ont observé, quelquefois dans de fortes proport ions, des dommages qui ne semblaient ni d 'or ig ine mécanique, ni causés par des gradients de vitesse et qui ont été at t r ibués aux effets de la pression et de ses variations brutales au passage de la roue. C'est le cas à Baker ( H A M I L T O N et ANDREW, 1954), à Seton Creek (ANDREW et GEEN, 1958), àTuske t Falls (SMITH, 1960 et 1961), à Shasta et Cushman (CRAMER et OLIGHER, 1964) ; sur cette dernière instal lat ion, le pourcentage de poissons morts présentant ce type de dommages atteignait 4 3 % en 1960.

Les symptômes des dommages attribués aux variat ions de pression varient cependant avec les auteurs. Parmi les plus f réquemment cités, l 'exophtalmie, les yeux crevés ou manquants, les hémorrag ies internes ou au niveau des yeux, l'éclatement de la vessie natatoire sans trace d' impact.

Un certain nombre d 'expér imentat ions en laboratoire permettent de mieux interpréter les causes des dommages liés aux var iat ions de pression.

Les var iat ions de pressions induisent chez le poisson des mécanismes physiologiques de deux o r d r e s : modi f ica t ion du vo lume de la vessie natatoire et mouvement des gaz dissous dans l 'organisme, en part icul ier le sang.

4 . 1 . La vessie gazeuse La plupart des poissons osseux ont un organe appelé vessie natatoire ou gazeuse, divert icule

du tube digestif avec lequel il peut ou non rester en commun ica t ion par un condui t , le canal pneumat ique. On parle alors respectivement de poisson physos tome ou de poisson physocl iste. Outre les nombreuses fonct ions sensoriel les qu 'on lui attr ibue, cet organe, de par la masse gazeuse qu' i l cont ient, joue un rôle hydrostat ique ; son vo lume et la pression y régnant satisfont à la loi des gaz parfaits, toute variat ion relative de la pression s 'accompagnant d 'une variat ion relative opposée de son volume (dv/V = — dp/P) .

Cependant, lorsque la réduct ion de pression devient notable ( > 1 0 cm Hg), la di latat ion de la vessie reste inférieure à ce que prévoit la loi des gaz parfaits, le pér i to ine et les t issusenvi ronnant la vessie offrant une résistance à l 'expansion de cel le-ci, qui se trouve alors à une pression supérieure à la pression externe (JONES, 1951).

La régulat ion du vo lume de la vessie natatoire par adaptat ion de sa pression à cel le du mil ieu ambiant permet au poisson de conserver son équi l ibre hydrostat ique.

Chez les espèces physocl istes (perche, sandre), cette régulat ion s'effectue obl igatoirement par échange gazeux avec les vaisseaux sanguins de la paroi de la vessie, le mélange gazeux de la vessie n'ayant d'ai l leurs pas forcément la même compos i t ion que l'air atmosphér ique. Chez les espèces physostomes (salmonidés, clupéidés, cyprinidés) la régulat ion peut s'effectuer dans certaines circonstances beaucoup plus rapidement par la bouche via le canal pneumat ique.

Les poissons tolèrent sans problème de fortes pressions, le seul effet néfaste étant la perte provisoire de l 'équil ibre hydrostat ique causée par la réduct ion du vo lume de la vessie gazeuse. En effet, aucun auteur ne ment ionne de mortal i té consécut ive à une augmentat ion de pression. Les travaux de LAMPERT (1976) ont mon t réquedes espèces physostomes et physocl istes supportaient des mises en pression de 50 atmosphères à une vitesse de 10atm/s .

Les risques liés a u n e réduct ion brutale de la pression sont tout aut res : toute réduct ion de pression se t radui t en effet par une augmentat ion du vo lume de la vessie natatoire, le poisson ayant donc tendance à remonter à la surface suite à l 'augmentat ion de sa f lot tabi l i té. Tant que la réduct ion de pression n'excède pas 5 0 % à 6 0 % de la valeur init iale ( d p / P o < 0 , 5 à 0,6) (JONES, 1952; TSVETKOV, 1971), il ne semble pas y avoir de risques d'éclatement de la vessie gazeuse.

Au-delà de cette l imite, toute d iminut ion de pression est dommageab les ! elle s'effectue à une vitesse supérieure au taux d 'é l iminat ion ou de réabsorpt ion du gaz excédentaire.

L'él imination du gaz en excès chez les poissons physocl istes ne peut se faire que par réabsorpt ion au travers de la membrane de la vessie. TSVETKOV (1971 ) évalue ce taux de réabsorpt ion à 10~ s a tm/seconde, valeur du même ordre de grandeur que celles observées par d'autres auteurs (JONES, 1952; FEATHERS et KNABLE, 1983).

Par contre, chez les poissons physostomes, le gaz en excès peut être évacué beaucoup plus rapidement par le canal pneumat ique — ou par le condui t postér ieur chez les clupéidés —. TSVETKOV (1971) a établ i le taux l imite de décompress ion au-delà duque l apparaît le risque de rupture de la membrane de 0,9 à 1 atm/seconde. Cette valeur-seui l doit cependant être abaissée à 0,1 atm/s pour les indiv idus plus jeunes chez qui la membrane est plus fragi le e t /ou le canal pneumat ique peu fonct ionnel .

Le r isque de rupture de la vessie est donc beaucoup moins g rand chez les espèces physostomes que chez les espèces physocl istes.

Lors d'une réduct ion de pression, la vitesse d'évolut ion de la pression paraît donc le paramètre déterminant sur le taux de survie, beaucoup plus que l 'ampl i tude même de la variation de pression.

4.2. La sursaturation en gaz dissous

Une d iminut ion de la pression ambiante peut se t raduire d'autre part par une sursaturation en gaz dissous (2) de l 'organisme — part icul ièrement du sang — du poisson. Le gaz en excès est libéré

(2) Les mouvements des gaz d issous dans le sang et les l iquides corpore ls d 'un poisson exposé à des variat ions de pression s 'apparentent à ceux que l'on observe pour l'eau, c 'est-à-dire qu' i ls sat isfont à la Loi de Henry : à température constante, la quant i té maximale de gaz qui peut se d issoudre dans un vo lume de l iquide donné est p ropor t ionne l le à la pression part iel le exercée par ce gaz à la sur face du l iquide.

Les mécanismes de d isso lu t ion et d 'é l iminat ion d'un gaz par un l iqu ide ou un t issu satisfont à une cinét ique du

premier o rd re : d C / ( C - C 1 ) _ - k d t ou ( C - C 1 ) / ( C o - C l _ e k " , 0>

ou C - concent ra t ion au temps t

Co — concent ra t ion à saturat ion init iale au temps to à la pression po

C1 — concent ra t ion à saturat ion afférente à pression f inale p l .

La vitesse de dégazage ini t iale est donc propor t ionne l le à la d i f férence des concen t ra t ions à saturat ion, donc à la d i f férence de pression.


sous fo rme de bul les pouvant entraîner des embolies ("Gaz Bubble Disease"), voire la rupture des vaisseaux sanguins.

TSVETKOV (1971) note l 'appari t ion de bulles à partir d'une d iminut ion de pression de 1,5 à 2 a tmosphères chez la major i té des physostomes testés, alors que les premières mortal i tés sont constatées à part i r d 'une réduct ion de pression de 2a tm, quel le que soit la vitesse de décompress ion .

Les expér imentat ions effectuées par BEYER et al., (1976) sur le saumon coho indiquent que les morta l i tés, encore négl igeables pour une réduction de pression de 2 atmosphères, deviennent notables pour des réduct ions de 3 atmosphères.

Les effets dus à l 'embolie gazeuse sont beaucoup plus lents à se manifester — plusieurs dizaines de minutes — que ceux consécut i fs à ladétér iorat ion ou à la rupture de la vessie natatoire, presque instantanés.

Lors d 'une réduct ion de pression, il n'y a risque d'embol ie que si le poisson est accl imaté à la pression ini t iale : le poisson qui , accl imaté à une pression voisine de la pression atmosphér ique, est soumis a u n e brutale augmenta t ion de pression, puis à un retour rapide à la pression atmosphér ique ne cour t a u c u n risque d 'embol ie gazeuse; de nombreuses expér imentat ions le conf irment (ROWLEY, 1955; PYPER et al., 1958; MUIR, 1959).

4.3. La cavitation

On évoque souvent, lors des essais sur les turbines, des dommages causés par la cavitat ion. Les expér imenta t ions en laboratoire n'ont jamais apporté de résultats tangibles sur ce point. Les t ravaux menés par l'U.S. Army Corps of Engineers ont seulement pu établir que des smolts pouvaient suppor te r des exposi t ions à des très basses pressions, de l 'ordre de 0,35 m d'eau, voisines de la tens ion de vapor isat ion de l'eau. MUIR (1959), après avoir observé visuel lement des poissons exposés à la cavi tat ion, a conc lu que la mortal i té était consécutive à des chocs : les poissons étaient projetés con t re les parois de l 'enceinte de conf inement lors des variat ions très brutales de pression accompagnan t l ' implosion des poches d'air.

4.4. Conclusions

Les effets éventuels d 'une var iat ion de pression sur le poisson dépendent avant tout de l 'adaptat ion ou non prél iminaire du poisson à la pression minimale à laquelle il est soumis.

Le po isson entrant dans une turb ine à partir d 'une prise d'eau de surface, dont l 'organisme est donc adapté à une valeur de la pression voisine de la pression atmosphér ique, n'a pas la possibil i té de s 'adapter à la pression plus élevée régnant en entrée de roue ; le vo lume de sa vessie gazeuse est in i t ia lement rédui t en accord avec l 'augmentation de pression, puis repasse à son vo lume initial en sor t ie de roue. Il ne subira aucun dommage.

Cependant , si la pression au passage de la roue subit un abaissement important au-dessous de la pression atmosphér ique, supérieur à 5-6 mètres d'eau (correspondant à une réduct ion de 50 -60% par rapport à la pression init iale à laquelle est adapté le poisson), et ceci à une vitesse supér ieure à la vitesse d 'adaptat ion du poisson (c'est-à-dire 0,9-1 atm/s chez les espèces physostomes) , il y a un r isque d'éclatement de la vessie gazeuse.

Dans le cas d'une prise de fond, si le poisson est adapté à la pression correspondant à la p ro fondeur de cel le-ci, le brusque retour à la pression atmosphér ique consécut i f au passage à travers la tu rb ine pourra entraîner des dommages beaucoup plus considérables.

Sur les juvéniles de salmonidés, migrant dans les couches de surface — a fort ior i sur les insta l la t ions de basses chutes — la pression a peu de chance d'être un facteur notable de mortal i té lors du t ransi t par une turbine, sauf si la dépression en sort ie de roue est importante.

Le r isque lié à une sursaturat ion en gaz dissous n'existe pas pour les poissons dévalant dans la t ranche d'eau de surface, dans la mesure où leur organisme est généralement en équi l ibre avec une pression vo is ine de la pression atmosphér ique.

Chez les poissons adaptés à une profondeur notable, le risque dépend du niveau de saturat ion en gaz d issous de la t ranche d'eau considérée.

Dans tous les cas, les r isques de mortalités dus à une sursaturat ion en gaz dissous lors du t ransi t à travers une turb ine restent faibles tant que la chute ne dépasse pas une v ingtaine de mètres d'eau, ce qu i cor respond à une sursaturat ion potentielle maximale équivalant à une diminut ion de pression de 2 atmosphères.


5. EFFETS DES GRADIENTS DE VITESSE

Le cisai l lement est souvent cité lors des expér imentat ions comme l'un des facteurs pr imordiaux de mortal i té (RUGGLES, 1980 ;TURBAK et al., 1981). Par c isai l lement ("shearing ") les auteur s sous-entendent gradient transversal de vitesse au sein d'un écou lement ; le poisson subirait des dommages lors de son passage au voisinage des parois ou dans des zones à très forte turbulence, ou encore lorsqu' i l se t rouve à la l imite de deux écoulements à vitesses très différentes.

Des expér imentat ions ont été réalisées en laboratoire pour étudier les dommages subis par des juvéniles de sa lmonidés arrivant à l ' intérieur d'un jet à très for te vitesse dans un bassin d'eau calme (JOHNSON, 1971, 1972), ou bien directement injectés à la pér iphér ie d'un écoulement a très forte vitesse (GROVES, 1972).

Les essais effectués par JOHNSON montrent que les dommages sont inexistants pour une vitesse de jet de 17 m/s. Pour une vitesse de 20 m/s, la mortal i té passe à 2,4 %. Puis elle augmente rapidement avec la vitesse : elle passe de 7,2 % pour 24 m/s à 31 % pour 28 m/s. Des f i lms a haute vitesse pris par GROVES ont montré que les dommages se produisent quand une partie du corps du poisson rentre en contact avec un écoulement possédant une vitesse très dif férente de cel le du reste du corps, causant une accélérat ion dif férentiel le intense. C'est la région de la tête qui est la plus sujette aux arrachements consécut i fs à ces gradients de vitesse. Les blessures peuvent se produire en l'espace de quelques mil l isecondes. Les dommages les plus f réquemment observés sont des opercules retournés, des yeux rendus prohéminents ou arrachés, des hémorragies internes, voire des décapi tat ions. Les dommages sont généralement plus importants sur les poissons les plus petits.

6. MODÈLES PRÉDICTIFS DES MORTALITÉS DANS LES TURBINES

Deux approches di f férentes ont condui t à l 'élaborat ion de modèles prédictifs :

— formulat ion de la probabi l i té de choc du poisson avec une aube ou une pale,

— mise au point d 'équat ions de régression à part ir d 'une analyse stat ist ique des données expérimentales.

KREITMANN (1931) et VON RABEN (1957) ont proposé des modèles voisins basés sur le rapport du temps nécessaire à un poisson pour couper ent ièrement la t rajectoire d'une aube, au temps mis par cette dernière pour parcourir la distance inter-aubes. La formule proposée par KREITMANN est d iscutable d'un point de vue conceptuel et ne pourrai t être uti l isée en tou te rigueur que pour des turbines FRANCIS à faible vitesse spéci f ique. Elle devient inappl icable sur les autres roues FRANCIS ainsi que les turbines KAPLAN. D'où son intérêt l imité. L'expérience mont re que ces formules surest iment généralement les mortal i tés alors qu'el les sont supposées ne prendre en compte qu 'une part ie des dommages, les mortal i tés d 'ordre mécan ique : à Lequil le, l 'application de la formule de VON RABEN prévoit des mortal i tés supérieures à 100% (137%) alors que les mortalités d'ordre mécanique observées n'ont jamais dépassé 2 6 % (Montreal Engineer ing L imi ted, 1981).

Le modèle proposé par MONTEN (1985) ne tient pas compte de la vitesse absolue avec laquelle le poisson aborde la roue. Le pourcentage de mortal i té est fonct ion du rapport entre la taille du poisson et l'espace minimal (appelé espace relatif) don t celui-ci dispose pour passer entre deux aubes ou pales, et de la vitesse relative du poisson par rapport aux aubages déterminant la violence des chocs. L'auteur a dû l imiter l 'appl ication de sa formule au régime de fonct ionnement opt imal et pour des turb ines présentant des vitesses relatives élevées. Le grand mérite de l 'approche de MONTEN a été de considérer pour la première fois les cond i t ions de vitesses en entrée de roue, même si le calcul des tr iangles des vitesses reste très approximat i f .

Dans tous les cas, les modèles précédents ne const i tuent qu 'une évaluation de la part mécanique des dommages et ne prennent pas en compte les autres facteurs de mortal i té comme l'effet des gradients de vitesse, des pressions et de leurs variat ions.

BELL (1967) a cherché à déterminer des équat ions de régression montrant l'effet des différentes variables de fonct ionnement de la turb ine sur la mortal i té. Les analyses de 146 observations sur les turbines FRANCIS de Cushman et Shasta ainsi que de 76 observat ions sur la turbine KAPLAN de Big Cli f f montrent que les variables util isées n'expl iquent que 15 à 17% de la variance. Les variables les p lus signif icat ives sur les FRANCIS sont l 'ouverture des directr ices, le coeff icient de Thoma, indicateur du degré de cavitation, ainsi que la longueur du poisson. Sur la turbine KAPLAN, la racine carrée de la chute ainsi que le coeff ic ient de Thoma se sont révélés les plus expl icat i fs. La l imite majeure de cette étude est qu'i l est impossib le d'extrapoler les résultats à d'autres instal lat ions.

III - EXPÉRIMENTATIONS FRANÇAISES

1 . I N T R O D U C T I O N

Une série de sept expér imentat ions a été menée par l eCEMAGREFet le Consei l Supérieur de la Pêche, de mars 1984 à jui l let 1985, en col laborat ion, lorsque les sites étaient sa propriété, avec Électr ic i té de France. Ces études ont porté sur les pr incipaux types de turbines — FRANCIS, K A P L A N , HELICE et B A N K I - M I C H E L L — et sur des instal lat ions équipant des chutes de 4,5 m à 120 m. O n a repris de façon très synthét ique dans la suite du texte les pr inc ipaux résultats de ces di f férentes expér imenta t ions qui ont été décri tes plus en détail par ai l leurs (DARTIGUELONGUE et LARINIER, 1987; TRAVADE et al., 1987; DARTIGUELONGUE, 1988).

Ces expér imenta t ions visaient à mettre au point , en premier l ieu, un protocole standard permet tant d 'obtenir très rapidement un ordre de grandeur des mortal i tés, suscept ib le d'être uti l isé par la sui te sur d'autres sites. L'analyse des différents travaux effectués à l 'étranger a condui t les auteurs à pr iv i légier le p r inc ipe de l ' in t roduct ion du poisson à l'entrée de la roue et de sa récupérat ion immédia te par f i l t rat ion de la total i té du débit en sortie de turbine. Ces expér imentat ions devaient d 'autre part permettre d'est imer les risques potent iels encourus par les smolts lors de leur migra t ion vers la mer sur des cours d'eau faisant l'objet de plans de restaurat ion des populat ions de grands sa lmonidés migrateurs (Nivel le, Gave d'Ossau, Dordogne, Al l ier). Sur les deux instal lat ions testées dans le Puy de Dôme, il s'agissait d'évaluer le préjudice potentiel que pouvaient représenter deux turb ines de petites d imens ions et tournant très vite, pour les populat ions d'alevins de trui te.

Les expér imentat ions sont présentées selon un ordre chrono log ique, ce qui permet de suivre révo lu t ion de la technique et du matériel . Les caractérist iques des turbines sont présentées dans le tableau 111.1

2. MICROCENTRALE DE SAINT-PÉE-SUR-NIVELLE (PYRÉNÉES-ATLANTIQUES)

Cette microcentra le, installée sur la rivière Nivelle, équipe une chute de 4,3 m de deux turb ines de type HELICE de 0,60 m de diamètre tournant à 460 t rs /mn pour un débit nominal de 2 ,5m 3 / s . les essais se sont déroulés en mars 1984.

2.1 . Méthode et protocole

Les poissons sont in t rodui ts dans la chambre d'eau de l'une des turbines, en aval des gril les de pro tect ion et le plus près possib le de l'entrée de la roue, grâce à un tuyau souple de 10cm de d iamètre et de 5 m de longueur compor tan t un entonnoir à son extrémité supérieure.

Lors des premiers lâchers-tests, de nombreux poissons se sont échappés vers l 'amont dans le canal d 'amenée, ce qui était rendu possib le par la faiblesse des vitesses dans la chambre d'eau. Pour l imiter le taux d 'échappement, il a été procédé à une légère anesthésie des poissons avant leur in t roduc t ion .

La récupérat ion du poisson s'effectue grâce à un filet de forme pyramidale fixé à la sort ie des di f fuseurs, dont il a les d imens ions en entrée (2,3 m x 1,85 m). Ce filet en mailles de 14 mm a une longueur de 10m ; à son extrémité aval est f ixé un vivier f lottant destiné à récupérer les poissons et à les s tocker pendant toute la durée du test.

Deux cent quarante smolts de saumon at lant ique d'élevage, de 17 à 2 6 c m de longueur (moyenne de 20 cm), ont été uti l isés. Tro is classes de tailles ( < 1 8 cm, 18 à 21 cm et^>21 cm) ont été d ist inguées. Un lot témoin, dest iné à évaluer l'impact du matériel et de la méthode, a été introdui t d i rectement dans le fi let par l ' intermédiaire du tube soup le ; ce lot n'ayant subi aucun dommage, on en a dédui t la neutral i té des méthodes d' injection et de recapture sur les mortal i tés observées.

Tous les lots-tests, ainsi que le lot témoin on t été gardés trois semaines en observat ion.

2.2. Résultats

Les taux de récupérat ion sesont révélés très variables du fait des faibles vitesses, tan tau point d ' in t roduc t ion qu'à la sort ie des aspirateurs où les poissons pouvaient se maintenir sans dif f icul té.

L 'emploi de l 'anesthésiant a tout de même permis de réduire les pertes, faisant passer le taux de récupérat ion de 61,5 à 91,3%.

Une analyse de variance a mont ré que l 'uti l isation de l'anesthésiant n'avait aucune inf luence s igni f icat ive sur le taux de mortal i té ( F i 2 — 4,87, p^>0,05).

Compte- tenu de la variabi l i té dans les taux de récupérat ion, le calcul de la mortal i té a consisté à rappor ter le nombre de poissons récupérés morts, soit au nombre de poissons lâchés ( l imite supér ieure de la mortal i té) , soit au nombre de poissons récupérés ( l imite infér ieure de la mortal i té).

La morta l i té immédiate est en moyenne égale à 21 %et atteint 3 5 % après 3 semai nés de délai : ces pourcentages passent respect ivement à 28% et 4 6 % si l'on rapporte le nombre de poissons morts au nombre de poissons récupérés.

A u c u n e liaison signif icat ive entre la taille des poissons et le type de blessure ou le pourcentage de mor ta l i té n'a été mise en évidence.


Sur une c inquanta ine de poissons morts examinés, 8 % ne présentaient aucune blessure apparente ; la major i té des blessures externes étaient d 'or ig ine mécanique : 3 0 % des poissons morts présentaient un corps sect ionné, 20 ,4% avaient la co lonne vertébrale brisée, 36 ,7% montraient des traces d ' impacts graves ou des dépressions impor tantes sur les f lancs, 4,1 %des poissons avaient la tête arrachée non pas suite à un choc, mais vra isemblablement par l'effet des gradients transversaux ou long i tud inaux des vitesses à la traversée de la roue.

L'autopsie de 34 poissons morts entiers a révélé 32,4 % d'hémorragies de la cavité générale, 5 3 % d'hémorragies d'organes spécif iques (no tamment le rein, 26,5% d'hémorragies des parois musculaires (hématomes consécut i fs à des chocs) . Out re ces hémorragies, on aobservé, dans30 % des cas, un dégonf lement de la vessie gazeuse que l'on a pu attr ibuer soit à un choc mécanique ou à une per forat ion par une arête, soit éventuel lement à la var iat ion brutale de pression sub ie lors du passage à travers la roue.

3. CENTRALE HYDROÉLECTRIQUE DE POUTÈS-MONISTROL (HAUTE-LOIRE)

L'aménagement hydroélectr ique de Poutès-Monis t ro l sur le Haut-Ai l ier, est const i tué d'un barrage d'une v ingtaine de mètres de hauteur, d 'une dér ivat ion de plus de 9 k m de longueur const i tuée d'une galer ie puis d'une condui te forcée amenant l'eau à deux turbines Francis. La chute nette est de 61 m, la puissance installée de 16,9MW. Les turbines Francis ont un d iamètre de 1,15 m en entrée, leur débit nominal est voisin de 1 5 m 3 / s . Les essais se sont déroulés en mai 1984.

3.1. Méthode et protocole

La méthode est ident ique à celle util isée p récédemment : in t roduct ion des poissons dans la turb ine puis f i l t rat ion de la total i té de son débit.

L ' in t roduct ion des poissons a lieu au barrage, au niveau de la prise d'eau située à une dizaine de mètres au-dessous de la cote normale du plan d'eau de la retenue. Le temps de transit des poissons dans les ouvrages de dérivat ion jusqu'à l 'usine peut varier de 15 mn à 45 mn suivant le débit turb iné.

La récupérat ion des poissons se fait grâce à un filet d 'une v ingtaine de mètres de long, fixé sur un cadre métal l ique aux dimensions de la sort ie des d i f fuseurs (3,7 m x 2,05 m) à laquel le il est f ixé. Les mail les sont d 'une d imension plus importante dans les premiers mètres du filet (22 mm au lieu de 14 mm plus à l'aval), afin de réduire les efforts de t ract ion sur la nappe aux forts débits. U n e nasse, disposée à l 'extrémité aval du fi let, permet de récupérer les poissons lors des tests.

Tableau III.1 : Caractéristiques des turbines testées.

Table 111.1 : Characteristics of the tested turbines.

Installations

Hydroélectriques

Type de

Turbine

Hauteur de

Chu le

(m)

Débit

(m'/s)

Puissance

Nominale

(MW)

Vitesse de

Rotation

Trsrtnm

Diamètre de roue

en

Entrée Sortie

(m) (m)

Nombre de

P i e s

eu

D'aubes

M I C R O C E N T R A L E S

S T P E E S U R NIVELLE

(Nive lé )

Hélice 4.3 2.5 - 460 0.60 4

LAILHACAR

(Gave cfOssau)

Kaplan 5 0 1 9 8 0.920 165 2.40 4

C O U Z O N

( L e C o u z o n )

Francis 97 0 0.35 0 260 1500 037 0.26 9

F A Y E

(La Faye)

Ossberger 120.0 08 0 820 750 06 -

U S I N E S E.D.F

P0UTÊS (Allier)

Frands 61 5 14.0 8.4 428 1.15 1.45 15

M A U Z A C

(Dordogne)

Franas so 60.0 28 55 445 48 14

T U I L I E R E

(Dordogne)

Kaplan 11 5 52 4 4 7 166 7 2.9 5


Tro is ouvertures de la turb ine, correspondant à des débits voisins de 8 m V s , 10,5 mVs et 1 4 m V s , ont été testées; on a procédé au lâcher d'un lot témoin directement dans le filet pour p rendre en c o m p t e l' impact du matériel et de la méthode ainsi que d'un lot de poissons préalablement tués pour tenir compte d'une éventuel le différence de récupérat ion entre poissons morts et po issons vivants. Près de 600 trui tel les arc-en-ciel et far io d'élevage, de tai l le moyenne 16,2 cm, ont été ut i l isées.

3.2. Résultats (Tableau III.2)

A u c u n e mortal i té n'a été observée sur le lot témoin introduit directement dans le filet.

Le taux de récupérat ion des poissons morts in jectés au niveau de la prise d'eau a atteint 100%, alors que le taux moyen de récupérat ion sur les lots tests a été de 74%.

Le calcul de la mortal i té a consisté à rapporter le nombre de poissons morts récupérés au nombre de poissons lâchés sachant que la récupérat ion des poissons morts est totale.

Les taux moyens de mortal i té sont respectivement de 48%, 35%, et 41 % pour les débits de 1 4 m 3 / s , 10,5 mVs et 8 m 3 /s . Il n'y a pas de différence signif icat ive entre ces pourcentages d e mor ta l i té

Tableau III.2 : Taux de mortalité, nombre de poissons lâchés et pourcentages de recapture, turbine de Poutès.

Table III.2 : Rate of mortality, numbers of fish released and recapture percentage, Poutès turbine.

Conditions

des

Tests

Nombre

de Poissons lâchés

Taux

de Recapture

Taux de

Mortalité

e.Om'Vs 100 61.0 41.0

DEBI

TS

r_0

I Co

10.5 m'is 200 67.5 35.5

14.0 rn'is 100 93,0 48,0

C O

POISSONS MORTS

70 100.0

41.3 O i

TEMOINS 100 100.0

41.3

3.3. L'étude des blessures

Cent t rente quatre poissons morts ont été examinés :

— à débi t nomina l , près de 4 8 % des poissons présentent des blessures d 'or ig ine mécanique (corps sect ionnés, entail lés, traces d' impact...) ; 25% des blessures peuvent être attr ibuées au cisai l lement et 12,5% à la pression.

— à ouver ture réduite, les poissons morts présentent surtout des blessures que l'on a attr ibué aux effets de pression ( 2 2 % et 42%) ou aux effets des gradients de vitesses (48,9% et 31 ,7% des po issons présentent des arcs branchiaux brisés, des opercules retournés, ou des têtes arrachées) ; les mortal i tés d 'or ig ine mécanique ne représentent que 16 et 2 0 % des mortal i tés.

— sur l 'ensemble des essais, près de 17% des poissons morts ne présentent aucun signe externe ou in terne de dommage.

4. MICROCENTRALE DE LAILHACAR (PYRÉNÉES-ATLANTIQUES)

Cette microcentrale, située sur le Gave d'Ossau, équipe une chute de 5 m avec une turbine KAPLAN de 2,10 m de diamètre et de débit nominal voisin de 19m 3 / s . Les essais ont été effectués en octobre 1984.


La méthode est identique à cel le uti l isée lors des expér imentat ions précédentes. Les poissons légèrement anesthésiés, sont introduits le plus près possible de la turbine, au moyen d 'un tuyau souple. Leur récupérat ion se fait par f i l t rat ion du débit de la turbine. Le cadre métal l ique (6,7m par 3,5 m), auquel est f ixé le filet, coul isse dans les rainures de batardage ménagées à la sortie de l'aspirateur. Le filet de forme pyramidale (f ig. 3.1.) a une longueur de 17 m, la surface tota le de la nappe étant voisine de 170 m 2 . La d imension des mail les (20 mm, 16 mm et 11 mm) décroît de l'entrée vers la nasse (0,50 m< 0,50 m< 1 m). La manipu la t ion de l 'ensemble cadre-f i let nécessite des moyens de levage appropr iés (pelle hydraul ique).

Cadre métall ique supportant le filet

figure 3.1. : Schéma du système de récupération, expérimentation à la centrale de Laïlhacar.

figure 3.1. : Schematic diagram of the recovery net, Laïlhacar powerhouse tests.

Bull. Fr. Pêche Piscic. (1989) 312 - 313 - 3 4 -

Les taux de mortal i té ont été évalués pour t ro is ouvertures de directrices (débits voisins de 7 mVs, 13 m 7 s et 19 m7s) . Les poissons utilisés sont des juvéniles de truite fario répartis en deux classes de tai l le (de moyennes respectives de 14,8 cm et 18,5cm) const i tuant pour moitié chacun des t ro is lots- tests de 100 poissons (soit au total 435 poissons en comptant le lot témoin et les lots de poissons mor ts) . Une fois récupérés, les poissons sont t ransportés puis gardés en observat ion pendant une semaine en piscicul ture.

4.2. Résultats (Tableau II 1.3)

Le taux de mortal i té observé sur le lot témoin (2%) montre la quasi-neutral i té du matériel.

Le taux moyen de récupérat ion sur les lots-tests s'est avéré relativement faible (68 %), compte tenu que la tota l i té du débit est f i l trée.

Le taux important de récupérat ion des poissons morts (87 %) laisse supposer que la major i té des po issons non récupérés sont vivants.

La mor ta l i té brute a été corr igée de façon à prendre en compte la mortal i té due au matériel et la d i f fé rence de taux de recapture entre poissons vivants et poissons morts. Le taux de mortal i té cor r igé est donné par l 'expression :

X = (1 / Nb.Trm) . (Rm — Tmf (Rv / (1 — Tmf)) )

o ù :

Nb est le nombre de poissons lâchés

T rm , le taux de recapture des poissons morts

Rm, le nombre de poissons retirés morts du filet

Tmf, le taux de mortal i té sur le lot témoin

Rv, le nombre de poissons retirés vivants du fi let

La mor ta l i té immédiate varie suivant les essais de 4 % à 9,5%, et la mortal i té après une semaine de délai varie de 4 % à 11,5%.

Les analyses de variance n'ont pas montré de l iaison signif icat ive entre tail le du poisson et morta l i té , et entre le régime de fonct ionnement et la mortal i té, bien que cette dernière soit plus faible à ple ine ouver tu re (4%) qu'à ouverture partielle (9 ,5% et 11,5%).

Le faible nombre de poissons morts (25 au total) ne permet pas d'aller très loin dans l'analyse des types de blessure. Les dommages les plus f réquents (48%) sont ceux liés aux gradients de vitesse — cisai l lement ou e longat ion — (têtes arrachées, opercules retournés ou arcs branchiaux br isés), ou à des chocs mécaniques (32% des poissons morts présentent des traces d ' impacts ou des entai l les).

Tableau III.3 : Taux de mortalité, nombre de poissons lâchés et pourcentages de recapture, turbine de Laïlhacar.

Table III.3 : Rate of mortality, numbers of fish released and recapture percentage, Laïlhacar turbine.

Condinons Nombre 1 T a .

de modalité

des

Tests

de

Lâchés

:e Recapture | Brut

Invnediat

j Corigè Brut

Aptes 7 jours

i Corrigé

c/> 9?.

7rrP'S 100 2S0 9.0 9.5 11 0 11.5

DEBI

T TE

STE

13 mVs 95 57 9 9.5 85 10.5 95

19 m'-s 100 6t.C 1C 4 0 i 0 40

OTS

POISSONS

MORTS 10

7 i

MOYENNE

TEMOINS 1 oc " " 1 7 i 84


5. MICROCENTRALES SUR LE LE C O U Z O N ET LA FAYE (PUY-DE-DOME)

Ces deux microcentrales, installées sur des ruisseaux, le Couzon et la Faye, équipent respect ivement des chutes de 97 m et 120 m de deux turbines FRANCIS de 37 cm de d iamètre (débit nominal de 0,350 m 3 /s) tournant à 1.500 t rs /mn et d'une turb ine OSSBERGER de 60 cm de diamètre (débit maximal de 0,800 m 3 /s) tournant à 750 t rs /mn. Dans les deux cas, l'eau est amenée de la prise d'eau à l'usine par une condui te forcée de 2 à 3 km de long. Les essais se sont déroulés en ju in 1985.


Les poissons sont in t rodui ts au niveau de la prise d'eau grâce à un tuyau glissé dans le reni f lard. Le temps de transit moyen des poissons a été évalué au préalable par l ' injection de f luorescéine. Pour l imiter ce temps de transit et garantir des vitesses suff isantes dans la condui te, les turbines étaient mises à leur ouverture maximale pendant quelques minutes immédiatement après l ' in t roduct ion des poissons.

La récupérat ion des poissons s'effectuait grâce à des f i lets con iques disposés dans les canaux de fui te en béton restituant les eaux turbinées au ruisseau. La faible longueur de ces canaux a condui t à l ' installation de filets très cour ts (environ 3 m), ayant des angles d 'ouverture importants (supérieurs à 50°), peu favorables à un bon gu idage des poissons vers la nasse.

Sur le Couzon, les essais ont été effectués pour trois ouvertures de la tu rb ine FRANCIS (1/2, 3/4 et pleine charge) sur trois classes de tai l le de poissons (3 cm, 10 cm et 16,7 cm). Sur la Faye, trois régimes de fonct ionnement ont été testés, déf inis par la largeur de la roue uti l isée et le pourcentage du débit maximal (2/3 et 80%, 3/3 et 68%, 3/3 et 40%). Trois classes de tail les ont été injectées (3 cm, 5 ,6cm et 10,2cm).

A ces lâchers tests, ont été rajoutés des lâchers de lots témoins et de lots de poissons morts, ce qui porte à 600 le nombre de trui tel les uti l isées.

5.2. Résultats (Tableau III.4.)

Les taux de mortal i té sur les lots témoins ont été très élevés, notamment sur la p lus petite classe déta i l les pour laquelle ils ont atteint 100%. Pour les deux autres classes déta i l les, la mortal i té n'est signif icat ive que sur la Faye, probablement du fait des cond i t ions c l imat iques rencontrées lors des expér imentat ions ( température de l'eau élevée et temps orageux).

Tableau III.4 : Taux de mortalité, nombre de poissons lâchés et pourcentages de recapture, turbine du Couzon.

Table III.4 : Rate of mortality, numbers of fish released and recapture percentage, Couzon turbine.

Taille des Taux de Taux de mortalité

poissons R^aplu'e a lot temom Sur lots t^sts '

175 Is 260 Is 350 1 s 1751s 2601s 3501. S

42 4 36 8

29 mm n o 28 6

92.5 32 5 M 3 45 0 70 6

102 mm c

55 e

E-S4

9C 9 85 0

o 157 mm

o O

Me y en ne

moyenne

pp 9 64 1

"a jx de-poissons rnoris présentant des oiessures 'jpparenros

Bull. Fr. Pêche Piscic. (1989) 312 - 313 36

Tableau III.4 : Taux de mortalité, nombre de poissons lâchés et pourcentages de recapture, turbine de la Faye.

Table III.4 : Rate of mortality, numbers of fish released and recapture percentage, Faye turbine.

r Tau; de noriaiite

poisson i.

j 1 î. i s 550 i-s .".50,,

j \ iwnoir.

31S l-s

es iois tests

550 i-s 650 i S liio/mr,.

59.3 68 0

29 mm 100 - _ .

91 7 «9 2 83.0 85 2 /4 4 If.'!

56 mm 78 3

100

80 0

100

FAY

E

102 mm 33.3 9? 5

Moyenne •3" 6 78.9 77 4

I a u de poissons morts présentant des Plessyres apparentes

Les taux de récupérat ion des poissons morts sont équivalents à ceux des lots tests, soit prés de 93 % sur le Couzon et en moyenne 8 8 % sur la Faye; la présence sur les deux sites d'une fosse de d iss ipat ion sous la turb ine créant des zones de reci rculat ion où les poissons demeurent piégés exp l ique les taux de poissons non récupérés.

On a alors défini un taux de mortal i té "minimale" correspondant aux pourcentages de poissons récupérés mor ts et présentant des dommages apparents, sachant que les poissons témoins mor ts ne présentaient aucun signe de blessure.

Sur le Couzon, la mortal i té "min ima le" par blessure varie de 4 3 % à près de 67%. Ces taux de blessures sont s igni f icat ivement liés à la tail le du poisson ( F 2 4 = 12,12, p <0 ,05 ) et au régime de fonc t i onnemen t de la tu rb ine ( F 2 . 4 = 30,4, p<0 ,O1) .

Sur la Faye, la morta l i té "m in ima le " a varié de 77,4% à près de 93%. Les pourcentages de blessures augmentent s igni f icat ivement avec la tai l le du poisson ( F 2 . 5 = 21,29, p < 0 , 0 1 ).

Ces for ts pourcentages de blessures d'origine mécanique étaient prévisibles compte- tenu des vitesses de rotat ion élevées (1.500 et 750 trs/mn) et des faibles espacements entre aubes (2,5 cm sur le C o u z o n et 3 c m sur la Faye). Il est même étonnant qu' i ls n'aient pas été plus élevés.

6. CENTRALE HYDROÉLECTRIQUE DE MAUZAC (DORDOGNE)

La centra le hydroélect r ique E.D.F. de Mauzac sur la Dordogne (chute brute voisine de 5 m, pu issance instal lée 18,2 MW) est équipée d'une turb ine KAPLAN et de c inq turbines FRANCIS ident iques. La turb ine FRANC IS testée (à axe vertical), d'un diamètre de 4,45 m en entrée et tournant à 55 t r s /mn a un débit nominal de 6 0 m 3 / s . Les essais se sont déroulés en juil let 1985.


Le but de cette expér imenta t ion, outre l 'appréciation des dommages potentiels sur ce site, visait à adapter une technique mise au point sur des instal lat ions de tail les modestes à un ouvrage instal lé sur un cours d'eau plus important. De ce fait, la méthodo log ie est ident ique à celle util isée an té r ieu rement : in t roduct ion des poissons le plus près possible de la turbine et récupérat ion imméd ia tement à l'aval par f i l t rat ion de la totalité du débit.

Le cadre métal l ique nécessaire à la f ixation du filet a été construi t aux d imensions de la ra inure de batardage (11 m x 7 m). La surface du filet a été calculée de manière à ce que le rapport du débi t à f i l t rer sur la surface du filet n'excède pas 25cm/s , la sect ion d'entrée étant fixée par les d imens ions des aspirateurs. Les poissons sont récupérés dans une nasse fixée à un radeau.

Comp te - t enu de la d imension de la turbine (près de 4,5 m de diamètre) et de l 'expérience acquise, le facteur taille du poisson n'a pas semblé déterminant : les lots n'ont compor té qu 'une seule classe de tailles, de moyenne 19,5 cm.

Les tests ont porté sur les régimes de fonct ionnement de la turb ine les plus courants : pleine charge et mi -charge. En prenant en compte les lots témoins et les lots de poissons morts, près de 400 t ru i te l les far io d'élevage ont été injectées dans la turbine.



Le taux de récupérat ion sur les poissons morts a été de 100%, ce qui permet de faire l 'hypothèse que les poissons non récupérés sont des poissons vivants.

Les taux de récupérat ion sur les lots tests ont été de 9 3 % et 96%.

Le taux de mortal i té sur le lot témoin a été de 3%.

La mortal i té immédiate a été de 8 % lors des deux essais et de 5,3 % et 5,4 % après correct ion. Ces valeurs ne montrent donc pas de di f férence signif icat ive selon le régime de fonct ionnement.

Le nombre de poissons morts était t rop faible pour permettre une analyse des blessures observées.

Tableau III.5 : Taux de mortalité, nombre de poissons lâchés et pourcentages de recapture, turbine de Mauzac.

Table III.5 : Rate of mortality, numbers of fish released and recapture percentage, Mauzac turbine.

Conditions

des Tests

Nombre

de Passons laches

Taux

de Recapture Brul

Taux de mortalité

Corrigé

to ^ 55 m''S I 0 0 96 80 S3

30 mJ;s I 0 0 93 8.0 54

CO

TEMOIN 100 90 3.0

O

POISSONS MORTS 100 100

i

7. CENTRALE HYDROÉLECTRIQUE DE TUILIÈRES (DORDOGNE)

La centrale hydroélectr ique E.D.F. de Tui l ières sur la Dordogne (chute brute de 11,5m, puissance installée de37 ,6MW) est équipée de huit roues KAPLAN turb inant au max imum undébit voisin de 400 m Vs. La turb ine testée est une KAPLAN à axe vert ical de 2,9 m de diamètre, tournant à 167t rs /mn, d'un débit nominal d e 5 2 m 3 / s .


La méthodologie, en part icul ier le mode de recapture, est ident ique à celle utilisée à la centrale de Mauzac.

Le matériel de récupérat ion est adapté aux d imensions de l 'ouvrage. Ainsi, le cadre métal l ique fait 7 m x 3,5 m et le fi let 26 m de longueur.

Quatre régimes de fonct ionnement ont été testés (1/4, 1/2, 3/4 de la charge et p le ine charge).

Quatre lots de 100 poissons chacun, un lot témoin et un lot de poissons morts ont été util isés: pour l imiter le temps de manipulat ion, quelques minutes après l ' in t roduct ion du dernier poisson, une "chasse" à plein régime de la turb ine permet d'accélérer letransi t des poissons jusqu'à la nasse.

Six cents truitel les fario d'élevage, de tai l le moyenne de 19,5 cm, ont été introdui tes soit dans la turbine, soit d i rectement dans le filet pour le lot témoin.

Les essais ont eu lieu en jui l let 1985, à la suite des essais effectués à Mauzac.


Le taux de mortal i té sur le lot témoin a été voisin de 30 % : cela est surtout dû aux condi t ions cl imat iques et notamment à une température de l'eau qui a atteint près de 25 °C lors des essais.

Le taux de récupérat ion des poissons morts est de 100% et les taux de récupérat ion sur les lots-tests sont supérieurs à 96%.


La valeur trop élevée de mortal i té sur les lots témoins ne nous a pas permis d'utiliser le mode de co r rec t ion dans le calcul de la mortal i té adopté lors des expér imentat ions précédentes. Il est apparu p lus réaliste de ne prendre en compte, pour l 'estimation d'une mortal i té "min imale" , que le nombre de poissons présentant des blessures visibles extér ieurement ou intérieurement.

La morta l i té "min imale" v a r i e d e 8 , 3 % à 17%, selon le rég imedefonc t ionnement . Uneanalyse stat is t ique ne révèle pas de l iaison signif icative avec le régime de fonct ionnement.

Soixante quatre poissons morts ont été examinés, sans que l'on puisse mettre en évidence une l ia ison entre le régime de fonct ionnement et le type de blessures.

Tableau 1116 : Taux de mortalité, nombre de poissons lâchés et pourcentages de recapture, turbine de Tuilières.

Table lit.6 : Rate of mortality, numbers of fish released and recapture percentage, Tuilières turbine.

Conditions

des Tests

NOTbrfe

Possons lacht-s

Taj*

te

Tau* (le

M-nimal-

-loflalite

39 nYVs 100 100 14 0

30.0 mi's 100 96 8.3

LU LU

° ^ 20.7 m'-s 100 104 125

11 8 nrts 100 100 ' . 7 u

TEMOIN in

100 122 303

O

POISSONS MORTS 100 100

n o

' Taux d& passons morts présentant des blessures apparentes d^ns les lots tests

8. C O N C L U S I O N S

8.1. Sur la méthode

Cette série d 'expér imentat ions a permis détester une méthodolog ie basée sur la f i l t rat ion de la tota l i té du débit de la turbine, qui permet d'obtenir relativement rapidement un ordre de grandeur des dommages potentiels sur une instal lat ion donnée, en injectant un nombre raisonnable de poissons.

Les moyens à mettre en œuvre, tant en matériel qu'en personnel, deviennent cependant très lourds lorsque les débits à f i l trer at teignent plusieurs dizaines de m 3 /s . Il semble qu'une centaine de mVs soit la l imite à partir de laquel le il fail le se tourner soit vers la technique plus sophist iquée du rad iop is tage, soit vers une méthode d'échanti l lonnage plus souple, mais qui en contrepart ie nécessi tera l ' in t roduct ion de lots-tests beaucoup plus conséquents (plusieurs mil l iers de poissons).

La techn ique uti l isée est grandement facilitée par la présence, à la sort ie des aspirateurs, d 'une ra inure de batardage où glissera le cadre auquel est accroché le filet. Un moyen de levage appropr ié pour manipuler cadre et f i let devient indispensable dès que le débit dépasse quelques m 3 /s , comp te tenu du poids du cadre imposé par les efforts importants de t ract ion transmis par le fi let.

La température est un paramètre du milieu pr imordial qui peut affecter à la fois les lots-tests et les lots témoins : sur t ro is des expér imentat ions effectuées, la mortal i té importante observée sur les lots de con t rô le résulte vraisemblablement des condi t ions cl imat iques cr i t iques (température de l'eau élevée) rendant toute manipu lat ion des poissons délicate.

La pér iode d 'expér imentat ion doit être choisie de manière à éviter les périodes de chute des feui l les, car le co lmatage rapide du filet qui en découle augmente les risques de dommage des poissons par plaquage, de déchi rure du filet (cas à Laïlhacar), voire de rupture du cadre.


Il semble diff ici le de travail ler avec des individus de petites tail les — en deçà de 4 cm —comme on a pu en faire l 'expérience sur la Faye ou le Couzon, et comme le rapportent d'autres auteurs (U.S. Army Corps of Engineers, 1963; BELL et BRUYA, 1981 ; MONTEN, 1985).

En plus des lâchers de lots de poissons nécessaires à l 'étude des facteurs de mortal i té (tai l le des poissons, régime de fonct ionnement de la turbine...), il convient de procéder systématiquement à des lâchers :

— de lots témoins, afin d'évaluer l ' impact de la méthode (transport, manipulat ions, stabulation) ainsi que du matériel d ' in t roduct ion et de récupérat ion ; dès que les pourcentages de mortalité sur les lots témoins deviennent importants, l 'appréciation des dommages attr ibuables au transit dans la roue devient beaucoup plus délicate.

— de lots de poissons préalablement tués, afin de prendre en compte une éventuelle différence entre les taux de recapture des poissons vivants et des poissons morts.

L'emploi de l'anesthésiant — en dose légère — s'est avéré nécessaire lorsque les vitesses de l'eau au point d ' in t roduct ion étaient t rop faibles (casàSt-Pée-sur-Nivel le) . La passivité des poissons dans les premiers mètres évite le problème de l 'échappement vers l 'amont. Cette anesthésie ne semble pas affecter le taux de mortal i té.

Tableau III.7 : Caractéristiques des filets de recapture utilisés lors des expérimentations sur le transit des poissons à travers les turbines.

Table III.7 : Characteristics of recovery nets used in tests on fish passage through hydraulic turbines.

Installation

Hydtoetectrque

Debits

Fî tes

Q (m'/S)

Dimension du Met (m

Longueur Entree

;

Sortie

Surface

Filet

S ( m ' )

Dimension

Maille (mn)

Rapport

Q;S

(m/s)

Angle au

Sommet

du «et

(en °)

Dimension

fle la Nasse

ST PEE SUR NIVELLE 2,5 10 1,85 x 2,3 0.2 x 0.2 45 14

10

.05 13 Vivier

LAÏLHACAR 19 17 3.5x6.7 0,5x0,5 170 20.16 et 11 0.12 21 1 x.5x .5

en 6 mm

COUZON 0 7 ( 1 ; 2.3 2.48 x 0.3 (2; 0.2x0.2 4.5(3) 5 0.15 52 5 x 2 x 2

FAYE 0.8(4] 2.3 3 2 x 0 6 , 2 . 0 2 x 0 2 5.7,3i 5 0.15 « 5x 2 t 2

ROUTES 14 15 3.7) 2.05 0,51 0,5 e5 22 el 14 0.16 12 \ 5 Ï Sx 5

TUILERE 39 26 7 x 3,5 0.5x0.5 275 20 et 15 0.14 14 \bt 5x 5

MAUZAC 59 15 11x7 0.51 0.5 250 22et14 0.22 38 l .5x.5x 5

SHASTA 85 27 4.2 x 3,9 0,9 J 0,9 270 I 9 e t i 4 0.30 7 w/sr

CCi-L'EHSVkLE 11 i 13 i 4 6 x 3 C 32

....

103 19,12 el 6 25 0 11 19

1.ECKAR 90 15 ' 6 3

C 32

....

'665 80,60 el 40 0 05

!

LtQUiiLE 113 15 3 .1x2 | C lb 81 13 0.14 ,2

LEOUILLE 11 3 20 3,1 I 2 108 0 10 9 /iviet

( r lie! installé dans te canal de fuite c o m m u n a deux Î L ' b i n e s

(2; Section d'entrée mouil lée (approximatif)

(3j Surface de filet mouil lée (approximatif)

[A) r île: installé dans le canal de fuite


Il est nécessaire d'étudier le trajet des poissons jusqu'à la turbine, afin de s'assurer de l 'absence de zones d'eaux mortes propices au piégeage des poissons (cas à Tuil ières) qui peuvent indu i re des mélanges entre di f férents lots. Dans le doute, on devra recourir à un marquage des po issons, par exemple un lot sur deux (ablat ion de l'adipeuse, d'une part ie de la caudale...).

La nappe de filet doit être d imensionnée de façon qu'el le soit gonf lée par l 'écoulement en évi tant cependant que les vitesses aux mailles ne deviennent t rop fortes. Un rapport débit max imum/su r f ace de la nappe de filet (exprimés respectivement en m 3 /s et m 2) voisin de 0,15 m/s semble une valeur acceptable. On a porté sur la f igure 3.2. et le tableau III.7 les relations débit m a x i m u m f i l t ré-surface de filet afférentes à différentes expér imentat ions effectuées en France ou à l 'étranger.

Pour assurer un guidage correct du poisson vers la nasse, l'angle au sommet de la pyramide fo rmée par le f i let doit rester l imi té: 30° semble une bonne valeur, 40° étant un maximum.

figure 3.2.

figure 3.2. Relation entre le débit filtré et la surface du filet de récupération utilisé.

Relationship of recovery fyke net area to filtrated discharge.


Les deux cri tères sur l 'angle d'ouverture et le rapport déb i t /sur face de la nappe, ainsi que les caractér ist iques de la sor t ie de l'aspirateur, permettent de donner les pr incipales caractérist iques du fi let pour un site donné.

Dès que le débi t à f i l trer devient conséquent (supérieur à 10 m 3 / s ) , un filet avec des mailles de dif férentes tail les, décroissantes de l'entrée vers la nasse, est souha i tab le :

— des mailles de gros d iamètre en entrée du filet évitent une t rop grande tension sur le filet dans une zone où la tu rbu lence est généralement encore très forte.

— des mailles de plus peti ts diamètres, disposées en bout de filet assurent le guidage et la rétention correcte des poissons.

Pour les tests à ouvertures partiel les de la turbine, il s'avère souvent nécessaire d'effectuer une "chasse" de quelques minutes après le passage du lot-test dans la turb ine de façon a récupérer plus faci lement et rapidement les poissons dans la nasse.

8.2. Sur les dommages

Bien que le but init ial de la série d 'expér imentat ions décr i te br ièvement ci-avant résidait a l 'origine dans la mise au point d'un pro toco le expér imenta l , il a été possible de dégager certains résultats sur les dommages subis par les poissons.

Le taux de survie des poissons apparaît comme une fonc t ion croissante du diamètre de la turb ine pour une tai l le de poisson donnée : les dommages se sont révélés beaucoup plus importants sur les turbines de petites tail les (Couzon, St-Pée-sur-Nivel le) que sur les grandes (Mauzac. Laïlhacar, Tui l ières) bien qu' i l soit hasardeux de comparer des turb ines fonct ionnant sous des chutes dif férentes.

Dans la majori té des cas, la mortal i té apparaît consécut ive soit à des blessures d'origine mécanique, soit à des blessures que l'on peut at tr ibuer aux grad ients de vitesses : l ' influence de la pression et /ou de ses var iat ions n'a pas semblé très évidente sur les instal lat ions testées.

L'observat ion des dommages lors de ces expér imentat ions nous a permis de mieux comprendre les descr ipt ions faites dans la l i t térature par les d i f férents auteurs et de prendre conscience des di f f icul tés à identi f ier l 'or igine des dommages, du fait de la s imi l i tude de certaines blessures.

A cet égard, les blessures que l'on a at tr ibué aux gradients de vitesses, comme les têtes arrachées ou les opercules retournés, ont toutes les apparences de blessures consécut ives à des chocs mécaniques. Cependant , leur observat ion précise mont re que les abords de la blessure sont tou jours nets, sans marque, alors que dans le cas d'un choc mécanique, des hématomes sont visibles à la pér iphérie, et qu' i l est possible, dans le cas part icul ier d 'une décapi ta t ion, de déceler des traces d' impact.

Lorsqu' i l est ment ionné, ce type de blessure est presque tou jours at tr ibué aux effets de cisai l lement ("shear effect"), c 'est-à-dire aux gradients de vitesse transversaux. Nos observat ions nous incl inent à penser qu' i l peut s'agir aussi bien d'une conséquence de ret i rement du poisson pris dans un gradient long i tud ina l de vitesse. Ce peut être le cas par exemple, lorsque le poisson subit une brusque accé lé ra t ion : en entrée de la turb ine de l 'usine de Poutès, un poisson passe en quelques cent ièmes de seconde, d 'une vitesse vois ine de 5 m/s à une vitesse supérieure à 24 m/s.


IV - ANALYSE DES DONNÉES ET MODÈLES PRÉDICTIFS

1 . I N T R O D U C T I O N

Les observat ions effectuées lors des expérimentat ions sur la nature de certaines blessures et leur o r ig ine possible, comme les gradients longitudinaux ou transversaux de vitesse, ont amené les auteurs à tenter de prendre en considérat ion, dans l'analyse des données, les condi t ions de vitesse et de press ion régnant dans la roue au momentdu passagedu poisson. Une te l l edémarcheava i té té esquissée sans grand succès par BELL et BRUYA (1981) sur le site de Foster et par MONTEN (1985) en Suède ; cet auteur a d'ai l leurs été le premier à développer l'idée d'une vitesse cr i t ique d' impact associée à une probabi l i té de contact du poisson avec une pale ou une aube. La restr ict ion des causes de mortal i té aux seuls chocs mécaniques et le fait de ne prendre en compte qu'un nombre réduit d 'expér imentat ions ne lui ont cependant pas permis d'aller très loin dans la prédict ion des taux de morta l i té .

On a donc cherché à déterminer pour un certain nombre d 'expér imentat ions effectuées en France et à l'étranger, les vitesses absolues et relatives en entrée et en sort ie de roue. Cette recons t i tu t ion n'a été évidemment possible que pour les expér imentat ions pour lesquelles la géomét r ie de la roue, ainsi que ses condi t ions defonct ionnement lors^des essais (% ouverture, débit chute, e tc . . ) étaient connues avec suff isamment de précision. Les vitesses ont été calculées a mi -aubes pour les turbines FRANCIS et à mi-pales pour les turbines KAPLAN, ce choix étant guidé par le fait que les trajectoires des poissons sont a priori inconnues et que dans ces condit ions, ce sont ces t r iangles de vitesses qui caractér isent le mieux les condi t ions d 'écoulement dans la roue Les méthodes de calcul des tr iangles des vitesses ont été reportées dans l'annexe B.

La prise en compte d'une variable indicatrice des dépressions subies par le poisson au passage de la turb ine — le coeff ic ient de Thoma par exemp le— n'a pas été possible car sa dé te rmina t ion nécessitait la connaissance des cotes relatives du plan d'eau aval et du plan de sortie d e l à roue pour tous les essais considérés. Or ces données n'étaient disponibles que sur une minori té d 'expér imenta t ions.

Sur les instal lat ions pour lesquelles un nombre très important d'essais avaient été effectués (Cushman , Shasta, Lequil le), n'ont été conservés, dans le souci de ne pasdonner t ropd ' impor tanc.e aux tu rb ines en quest ion, que les essais les plus indiscutables, c'est-à-dire ayant des mortal i tés s i r les lots t émo ins nulles ou négl igeables.

85 essais sur les juvéniles de salmonidés ont été retenus pour les turbines FRANCIS, essais afférents aux expérimentat ions effectuées sur les 15 sites suivants : le Couzon (DARTIGUELONG'uE et LARINIER, 1987), Poutès et Mauzac (TRAVADE et al., 1987), Stornorr fors, Upper Hemsjô et Mota la ( M O N T E N , 1985), Lower Elwha et G lines Canyon (SCHOENEMAN et JUNGE, 1954), Cushman (CRAMER et OLIGHER, 1964), Shasta (U.S. Army Corps of Engineers, 1963), Punt ledge (C.->-i. Dept. of Fisheries, 1958), Seton (ANDREW et GEEN, 1958), Baker (HAMILTON et ANDREW, 1954), Rusk in ( H A M I L T O N et ANDREW, 1953), Lequille (Montreal Engineer ing Ltd. 1981, 1982).

58 essais sur les juvéniles de salmonidés ont été retenus pour les turbines KAPLAN ou les g roupes BULBES, essais afférents aux expérimentat ions effectuées sur les 14 sites suivants : Laï lhacar (DART IGUELONGUE et LARINIER, 1987). Tui l ières (TRAVADE et al., 1987), Angabâck, Langgô l et Mota la (MONTEN, 1985), Rock Island (OLSON et KACZINSKI , 1980), Essex (KNIGHTe t K U Z M E S K U S , 1982), McNary (SCHOENEMAN et al., 1961 ), Foster (BELL et BRUYA, 1981), Big Cliff (OL IGHER et D O N A L D S O N , 1966; U.S. Army Corps of Engineers, 1979), Lower Monumenta l ( L O N G ef al.. 1975), Ho lyoke (KNAPP ef al., 1982), Tusket's Falls (SMITH, 1960 et 1961), Tob ique Nar rows (Me EACHERN, 1960). A ces essais il convient d'ajouter 22 tests effectués en Suède en 1960 et 1961 sur le transit des angui l les à travers les turbines KAPLAN des 8 usines de Kvarnaholm, Broby, Nôbbe lov , Emsfors, Karlnàs, Gustavsberg, Langgôl et Angabâck (MONTEN, 1985).

Une analyse détaillée de ces données a été effectuée par l'un des auteurs (DARTIGUELONGUE, 1988) par différentes méthodes : analyse factorielle des correspondances, analyse discr iminante, régressions linéaires. Nous ne reprendrons dans la suite que l'étude par régression dans la mesure où l'on était intéressé avant tout à dégager des expressions susceptibles de prédire sur une tu rb ine de caractér ist iques données l 'ordre de grandeur des mortal i tés sur des poissons d'une taille connue . Les formules expl ic i tées dans la suite peuvent différer légèrement de celles proposées dans le travai l o r i g i na l : certaines données relativement récentes, util isées à l 'origine pour tester les fo rmu les prédict ives, ont été intégrées dans de nouveaux traitements dans le souci de prendre en comp te un maximum de sites di f férents.

Bull. Fr. Pêche Plscic. (1989) 312 - 3 1 3 - 43 —

2. LES VARIABLES

Les régressions n'ont pas été effectuées d i rectement sur les pourcentages de mortal i té mais sur la variable t ransformée ARCSIN (% mortal i té) °-5, c lassiquement uti l isée lorsqu'on travaille sur des pourcentages (TOMASSONE ef al., 1983), et qui sera notée A M O . Cette t ransformat ion, ayant tendance à normal iser les variances, possède la caractér is t ique de dilater les échelles dans les domaines des très faibles et des très fortes mortal i tés et à écraser le domaine des mortal i tés moyennes.

On a dist ingué quatre types de variables expl icat ives dans les régressions:

— La tail le du poisson (TL), expr imée en mètre.

— Les caractér ist iques générales de la turb ine, qui sont très faci lement accessibles pour tou t aménagement :

— le d iamètre de la roue en entrée D1m, à mi-aube pour les FRANCIS et à mi-pale pour les KAPLAN (voir f ig . 1.4. et 1.5.), expr imé en mètres.

— le nombre de pales ou d'aubes (NAP),

— le débit (Q), expr imé en mVs,

— la chute (Haut), expr imée en mètres,

— la vitesse de rotat ion (N), exprimée en t rs /mn,

— la vitesse spéci f ique (NS), expr imée en t r s /mn ,

— la vitesse pér iphér ique à mi-pale ou mi-aube U 1 , expr imée en m/s,

— la puissance (Puis), expr imée en MW.

On notera par (QN), (HautN), (NSN), (PuisN), les valeurs nominales du débit (Q), de la hauteur de chute nette (Haut), de la vitesse spéci f ique (NS), et de la puissance (Puis). Ces valeurs caractérisent une turb ine donnée.

— des variables cor respondant à des grandeurs plus physiques, en part icul ier les valeurs approximatives en entrée et en sortie de roue des vitesses relatives (W1 et W2) et absolues (V1 etV2), les composantes normales et pér iphériques de ces dernières (V1n, V1u, et V2n, V2u), le rendement hydraul ique de la turbine<r> hainsi que les anglescr et /3 (Alf 1, Bet1, Alf2, Bet2)en entrée et en sort ie caractérisant les tr iangles des vitesses ; les valeurs de toutes ces variables sont liées à la fois aux caractér ist iques nominales de la turb ine et à ses condi t ions de fonct ionnement . On rappelle que les tr iangles des vitesses ont été déterminés à mi-aubes ou à mi-pales. Toutes les vitesses seront exprimées en m/s et les angles en degrés.

— des variables composées "conceptuel les" , pouvant associer de manière plus ou moins subjective certaines variables décrivant la géométr ie de la roue, les champs de vitesse dans cette roue ainsi que la tai l le du poisson et qui seraient indicatr ices de certains types part icul iers de dommages (DARTIGUELONGUE, 1988). Nous ne ment ionnerons dans la suite que les plus signi f i catives et celles issues de l'analyse b ib l iographique. Parmi elles seront considérées les expressions proposées par VON RABEN (1957) et par M O N T E N (1985), que l'on notera respectivement (RAB) et (Mont) .

L'expression (RAB), formulat ion de la probabi l i té de choc, est le rapport du temps (T1) nécessaire à un poisson pour couper ent ièrement la t ra jecto i re de l'arête d'entrée (bord d'attaque) d'une aube au temps (T2) mis par cette aube pour parcour i r la distance inter-aube.

T1 = TL/V1 T2 — ( T .D1m/NAP) / (T .D1m.N /60 )

D'où :

RAB — N . TL . NAP / (60 . V1)

L'espacement relatif (Mont) déf ini par MONTEN est le rapport entre la tai l le du poisson et

deux fois l 'espace minimal dont il dispose pour passer entre deux aubes ou deux pales:

Mont — TL / (2 . esp . S I N ( B e t l ) )

(esp) est la distance inter-aubes ou inter-pales calculée le long du cercle d'entrée :

esp = T . D1 m / NAP

(Bet1 ), l 'angle d ' inc idence de l 'écoulement en entrée, est peu différent de l'angle d' incl inaison des pales sur les turbines KAPLAN. Sur les turbines FRANCIS, cet angle n'est voisin de celui des aubes que dans les cond i t ions optimales de fonct ionnement de la roue.

Comme autres variables testées, c i tons ( M o n t i ) , (TL/esp), (CC) et (Tou).

( M o n t i ) dérive de (Mont) en remplaçant l 'angle d ' inc idence de l 'écoulement par l'angle d ' incl inaison des aubes ou des pales en entrée (Betn). (Betn) est constant dans le cas d'une turbine FRANCIS. ( M o n t i ) et (Mont) sont égaux ou tout au moins très voisins dans le cas des turbines KAPLAN.


La var iable (TL/esp), rapport de la tai l le du poisson et de la distance inter-aubes ou inter-pale- . possède par rapport aux variables précédentes l'avantage de la simpl ic i té de calcul

(CC) est une vitesse de choc déf in ie en théorie des turbomachines (VIVIER, 1966) comme \;> quant i té don t il faudrai t augmenter ou d iminuer la vitesse pér iphér ique U1 pour rétablir lu tr iangle des vitesses normal , c 'est-à-dire sans c h o c s :

CC = IV1m. (cotg (Bet1 — cotg (Betn)) l

Les pourcentages de mortal i tés consécut i fs à des chocs devant être a prior i fonc t ion , non seu lement de la probabi l i té de choc, mais aussi de sa violence, certaines variables ont été introdui tes, qui combinent l'effet de la tai l le du poisson et des vitesses en entrée de roue. Parmi toutes les var iables testées, c i tons (Tou) , variable vois ine de (RAB) et (Mont) , intégrant la vitesse relative de l 'écoulement en entrée de roue.

Tou = W 1 . (N .TL /esp) 1 / 2

3. P R É D I C T I O N DES MORTALITÉS DANS LES TURBINES FRANCIS

3.1 A partir des caractéristiques nominales.

Les paramètres les plus corrélés à la mortal i té sont la hauteur de chute nomina le (HautN) (coef f ic ient de cor ré la t ion R — 0.66), la vitesse pér iphér ique à mi-aube U1 (R _ 0.62), le nombre d'aubes (NAP) (R = — 0.61), la vitesse spécif ique ( R ^ - 0.51) ainsi que la vitesse de rotat ion N (R — 0.45). La mortal i té semble peu liée au seul paramètre bio logique, la tai l le du poisson (R = 0.20).

La régression s imple AMO ^ 16.22 + 0.226 HautN

exp l ique 4 3 % de la variance.

L 'équat ion de régression à quatre variables suivante expl ique 7 0 % de la var iance de la morta l i té (R = 0.85):

A M O = 6.54 + 0.218 HautN + 118 TL — 3.88 D1m 4 - 0.0078 N

Une fois ces quatre variables prises en compte, l ' inf luence des autres facteurs n'est plu?

s igni f icat ive.

Cette expression permet d 'obtenir un taux moyen de mortal i té pour une tai l le de poisson donnée indépendamment des cond i t ions de fonct ionnement de la turb ine considérée, en part icu lie de son ouver ture.

VALEURS PREDITES

figure 4 .1 . : Valeurs prédites des taux de mortalité transformés (variable AMO) en fonction des valeurs observées. Régression linéaire sur les turbines FRANCIS.

figure 4 .1 . : Relationship of predicted transformed mortalities (AMO) with observed mortalities. Linear regression on FRANCIS turbines.


i 1 r "I 1 r "i r

— prédites

o observées

40 60

NUMERO DES ESSAIS

100

figure 4.2.

figure 4.2.

Valeurs prédites et observées des taux de mortalités (AMO) en fonction du numéro de référence de l'essai (voir annexe C). Régression linéaire sur les turbines FRANCIS.

Relationship of predicted and observed transformed mortalities (AMO) with index of experiment (see appendix C). Linear regression on FRANCIS turbines.

3.2. A partir des variables caractérisant les conditions de fonctionnement des roues et les variables composées.

Le pourcentage de mortal i té — ou plus exactement sa transformée AMO — est avant tout relié, parmi l 'ensemble des variables caractér isant le fonc t ionnement hydraul ique de la roue, à la vitesse absolue en entrée V1 (R = 0.60) et à sa composante gi rato i re V1 u (R = 0.58) qui lui est très liée. Ces deux variables sont en grande partie déterminées par la hauteur de chute nette (Haut) (coeff icient de corré lat ion supérieur à 0.95). La mortal i té est beaucoup moins liée aux composantes normales des vitesses V1m (R = 0.37) et V2m (R = 0.25), à V2 (R = 0.38) ainsi qu'aux vitesses relatives W1 (R = 0.20) et W2 (R = 0.39). La matr ice des corré lat ions est donnée en annexe D.

Parmi les variables composées, (Tou) s'est révélée être la plus liée à la mortal i té, avec un coeff ic ient de corrélat ion voisin de 0.62.

Par contre, les l iaisons entre (RAB) (R = 0.083, (Mont) (R = 0.011) et la mortal i té ne sont pas signif icat ives.

La régression mul t ip le opt imale, au sens de régression performante avec le moins d e variables, est cel le liant V1 et (Tou) à la mor ta l i té ; elle expl ique plus de 7 0 % de la variance :

AMO = 3.12 + 0.76 V1 + 0 . 1 2 Tou (R = 0.84)

On a porté sur les f igures 4 .1 . et 4.2. les valeurs observées en fonct ion des valeurs prédites par l 'expression précédente, ainsi que les valeurs prédites et les valeurs observées en fonc t ion d'un index correspondant au numéro de l'essai référencé dans l 'annexe C.

Appl iquée à des échant i l lons de cas nouveaux, cette équat ion de régression reste bonne, dans le sens où les coeff ic ients de corré lat ion sont très voisins sur les échant i l lons-tests. Les deux variables intervenant dans la régression sont peu corrélées entre elles et expl iquent chacune une propor t ion comparab le de la variance de la mortal i té.

On a tenté d'augmenter s igni f icat ivement la part de la var iance expl iquée en ayant recours à un modèle de régression non linéaire, les exposants de la variable (Tou) ayant été chois is au départ de façon quelque peu arbitraire. L'équation de régression l inéaire a été util isée pour l 'estimation init iale des di f férents paramètres. L 'équat ion f inale est la su ivante:

AMO — — 4.21 + 1.25 V 1 0 - 8 2 1 f 2.28 N 0 - ' 9 (TL /esp) 0 - 8 4 W1°-u

Cette équat ion expl ique 7 5 % de la variance, le coeff ic ient de corré lat ion R étant voisin de 0.87.

Bull. Fr. Pêche Piscic. (1989) 312 - 313 - 46

On a por té sur les f igures 4.3. et 4.4. les valeurs observées en fonct ion des v a l e u r s p r é d i t <•/.p;n

l 'expression précédente, ainsi que les valeurs prédites et les valeurs observées en f o n c t i o n d ' u n index cor respondant au numéro de l'essai référencé dans l'annexe C.

Un seul résidu norme possède une valeur supérieure à 2.5, indiquant une mauva ise- p r é d i c t ion . Il s'agit d'un essai e f fectuée Motala en Suède, mortal i tés observées et prédites é t a n t r e s p e c t i v e ment de 0 % et 8.3%.

4. PRÉDICT ION DES MORTALITÉS DANS LES TURBINES KAPLAN

4.1 . Essais portant sur les juvéniles de salmonidés.

De toutes les variables s imples ou nominales, la vitesse de rotat ion (N) est la mieux cor ré lée a la morta l i té (R — 0.52). Parmi les variables composées, c'est le rapport de la tail le a la distance inter-pales (TL/esp) qui s'est révélée la plus signif icative (R — 0.59), suivie par d'autres variables plus ou mo ins d i rectement liées au rapport de la tai l le du poisson au diamètre de la roue, notamment (RAB) (R = 0.50), et ( M o n t i ) (R = 0.42).

La morta l i té n'est for tement corrélée à aucune variable de vitesse. Les corrélat ions maximales sont celles avec la vitesse relative W1 en entrée (R = — 0.29) et dans une moindre mesure avec la vitesse relative en sort ie W2. La matr ice des corrélat ions est donnée en annexe D.

L 'équat ion de régression s imple décrivant le mieux la mortal i té est :

AMO — 13.41 + 42.8 (TL/esp) (R = 0.59)

On a porté sur la f igure 4.5. les valeurs observées et les valeurs prédites par l 'expression précédente en fonct ion de la variable (TL/esp).

Seuls deux résidus normes sont au-delà de 2.5, indiquant des écarts très importants entre préd ic t ions et observat ions : il s'agit d'essais afférents aux centrales d'Essex ( 0 % de mortal i té observée sur des smolts de 28 cm) et de Foster (31 % de mortal i té, valeur de la mortal i té la plus élevée observée sur une turbine KAPLAN, obtenue cependant pour des condi t ions extrêmes de fonc t ionnement de la roue).

Le recours à un modèle de régression mult iple permet de réduire quelque peu la part de i, var iance restée inexpl iquée.

VALEURS PREDITES

figure 4.3. : Valeurs prédites des taux de mortalité transformés (variable AMO) en fonction des valeurs observées. Régression non linéaire sur les turbines FRANCIS.

figure 4.3. : Relationship of predicted transformed mortalities (AMO) with observed mortalities. Nonlinear regression on FRANCIS turbines.


SO i r i r i i r "i r n r

— prédites

D observées

80 100

figure 4.4.

figure 4.4.

40 60

NUMERO OES ESSAIS

Valeurs prédites et observées des taux de mortalités (AMO) en fonction du numéro de référence de l'essai (voir annexe C). Régression non-linéaire sur les turbines FRANCIS.

Relationship of predicted and observed transformed mortalities (AMO) with index of experiment (see appendix C). Nonlinear regression on FRANCIS turbines.

(TL/esp)

figure 4.5.

figure 4.5.

0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 .5 0 . 6

Valeurs prédites et observées des taux de mortalité transformés (variable AMO) sur les salmonidés en fonction de la variable (TL/esp). Régression linéaire sur les turbines KAPLAN avec les intervalles de confiance et de prédiction à 95%.

Relationship of predicted and observed transformed mortalities (AMO) on salmo-nids with the variable (TL/esp). Linear regression on KAPLAN turbines with the 95% confidence and prediction limits.


La meil leure régression est celle faisant intervenir le paramètre (TL/esp) et la puissance (Puis) expr imée en MW :

AMO = 10.6 + 53 (TL/esp) - f 0.083 Puis (R = 0.65) L'apport de la puissance dans la régression est cependant d'un intérêt limité ; cette variable

n' intervient prat iquement que pour expl iquer la mortal i té plus importante que la moyenne (17% et 22%) constatée sur les deux essais afférents à la grosse turb ine de Lower Monumenta l .

Les f ract ions de la variance de la mortalité expl iquées par les deux modèles précédents sont respect ivement de 35 % et 42 %. Si on él imine les deux tests dont les résidus normes ont une valeur élevée, cet te part de la variance passe à plus de 52%.

4.2. Essais portant sur les anguilles.

Le facteur le plus corrélé à la mortal i té est le même que pour les juvéniles de salmonidés, c 'est-à-dire le rapport (TL/esp). La matr ice des corrélat ions est donnée en annexe D.

La fo rmu le de régression simple est :

AMO — 28.6 + 48.7 (TL/esp) (R = 0.85)

On a porté sur la f igure 4.6. les valeurs observées et les valeurs prédites par l 'expression précédente en fonct ion de la variable (TL/esp).

Un seul essai présente un résidu norme supérieur à 2.5. Sur ces mêmes données, la technique de régression linéaire mult ip le "pas à pas" n'a pas permis de sélectionner un modèle de régression compor tan t une autre variable que (TL/esp).

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figure 4.6. : Valeurs prédites et observées des taux de mortalité transformés (variable AMO) sur les anguilles en fonction de la variable (TL/esp). Régression linéaire sur les turbines KAPLAN avec les intervalles de confiance et de prédiction à 95 %.

figure 4.6. : Relationship of predicted and observed transformed mortalities (AMO) on eels with the variable (TL/esp). Linear regression on KAPLAN turbines with the 95% confidence and prediction limits.

4.3. Essais sur les salmonidés et les anguilles confondus

Les régressions effectuées indépendamment sur les juvéniles de salmonidés et les anguil les ont mis en évidence la même variable explicative et des équat ions de régression relativement voisines.

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Bull. Fr. Pêche Pisclc. (1989) 312 - 313 — 49 -

En effectuant un trai tement sur l 'ensemble des essais, juvéni les de salmonidés et anguil les confondus, on retrouve évidemment comme pr incipale variable (TL/esp) qui expl ique prèsde 9 0 % de la variance totale. La matr ice des corrélat ions est donnée en annexe D.

L'équation de régression s imple est la suivante :

AMO = 11.1 + 68.7 (TL/esp) (R = 0.94)

On a porté sur les figures 4.7. et 4.8. les valeurs observées et les valeurs prédites par l'expression précédente en fonct ion de la variable (TL/esp), ainsi que les valeurs prédites et les valeurs observées en fonct ion d'un index correspondant au numéro de l'essai référencé dans l 'annexe C (les essais afférents aux angui l les ont été mis à la suite des essais sur les salmonidés).

En él iminant les trois mêmes tests qui déjà lors des trai tements séparés s'ajustaient mal aux équat ions (résidus normes supér ieurs à 2.5), la variance expl iquée passe à plus d e 9 3 % , l'équation de régression demeurant très voisine de la précédente :

AMO = 10.7 + 68.8 (TL/esp) (R = 0.96)

Par la méthode "pas à pas", la mei l leure combina ison signif icat ive de variables qui régressent la mortal i té est cel le const i tuée par (TL/esp), TL, et la puissance (Puis). Avec un coeff icient de corrélat ion voisin de 0.98, ce modèle régresse près de 9 6 % de la variance.

AMO = 7.4 + 57.7 (TL/esp) + 20.25 TL +0 .089 Puis (R = 0.98)

La variante (Puis), même si son apport à la régression est signif icat ive, n'apporte qu 'une cont r ibut ion négl igeable (1 %) à la part de la variance expl iquée.

Le résidu afférent à la régression s imple restant lié à T L e t esp, on a procédé à un ajustement par une régression non l inéaire expl iquant plus de 91 % de la var iance :

AMO = 11.3 + 74.3 ( T L u 0 7 7 e s p 0 - 7 6 8 ) (R = 0.955)

En laissant de côté les trois mêmes tests s'ajustant mal aux di f férentes équat ions de régress ion, la part de la variance expl iquée passe à plus de 9 4 % :

AMO = 12.2 + 72.7 (TL 1 - , 2 7esp° - 8 4 3 ) (R — 0.97)

figure 4.7. : Valeurs prédites et observées des taux de mortalité transformés (variable AMO) sur les salmonidés et les anguilles en fonction de la variable (TL/esp). Régression linéaire sur les turbines KAPLAN avec les intervalles de confiance et de prédiction à 95 %.

figure 4.7. : Relationship of predicted and observed transformed mortalities (AMO) on salmo-nids and eels with the variable (TL/esp). Linear regression on KAPLAN turbines with the 9 5 % confidence and prediction limits.


figure 4.8. : Valeurs prédites et observées des taux de mortalités (AMO) sur les salmonidés et les anguilles en fonction du numéro de référence de l'essai (voir annexe C). Régression linéaire sur les turbines KAPLAN.

figure 4.8. : Relationship of predicted and observed transformed mortalities (AMO) on salmo-nids and eels with index of experiment (see appendix C). Linear regression on KAPLAN turbines.

5. D I S C U S S I O N

5.1. Turbines FRANCIS

L'analyse des données sur les turbines FRANCIS a mis en évidence l ' influence sur les morta l i tés de deux facteurs relat ivement peu liés entre eux :

— d'une part la vitesse absolue V1 (ou sa composante pér iphér ique V1 u en entrée de roue qui lui est fo r tement corrélée).

— d'autre part un g roupement de variables où interviennent la vitesse relative W 1 , la tai l le du poisson (TL) , l'espace inter-aube (esp) et dans une moindre mesure la vitesse de rotat ion N.

Le fait que les dommages soient liés à la vitesse absolue en entrée de roue, et par conséquent à ia chute qui lui est très corrélée, n'est pas étonnant. Ce résultat peut être rapproché des expér imenta t ions effectuées sur les poissons immergés dans des jets à fortes vitesses (voir II, paragraphe 5), pour lesquels les dommages attr ibués au cisail lement devenaient notables dès que les vitesses at te ignaient une vingtaine de m/s puis croissaient avec la vitesse.

En cela nous ne partageons pas l'opinion de certains auteurs, qu i , encore très récemment (EICHER, 1987), ne considèrent pas la chute c o m m e un facteur déterminant l ' importance des dommages , en se basant sur le fait que des niveaux de mortal i tés voisins ont été observés sur des turb ines fonc t ionnant sous des chutes très différentes (Wil lamette Falls et Shasta, respectivement sous 12 m et 130 m). Cette assert ion nous paraît un peu rapide, car il semble di f f ic i le de mettre en év idence l ' inf luence — ou plutôt la non-inf luence — de la chute sur la mortal i té en raisonnant sur des turb ines don t les diamètres (respect ivement 0.90 m et 4.65 m) et les vitesses de rotat ion (respectivement 2 4 0 t r s / m n et 138 t rs /mn) sont radicalement différentes.

Le second facteur expl icat i f de la mortal i té, que ce soit la variable (Tou), ou bien le groupement des variables (TL/esp) , N, et W 1 , intervenant dans la régression non linéaire, sont indicatr ices et cela sans ambiguï té possible, de dommages d'or igine mécanique. Une certaine fract ion des dommages liés aux gradients de vitesse en entrée de roue doit aussi être expl iquée grâce à cette var iab le : à valeur de V1 donnée, les gradients transversaux et longi tudinaux des vitesses, et par conséquent les dommages liés à ces gradients, dans la mesure où ils existent, seront une fonct ion décro issante du diamètre de la roue ; cette variabilité des gradients à vitesse d'entrée constante ne peut être prise en compte que par le second g roupe de variables explicatives.


5.2. Turbines KAPLAN

La variable expl iquant le mieux les mortal i tés est le rapport de la tai l le du poisson à l'espace inter-pales mesuré à mi-pale. Si l'on considère l 'ensemble des essais, la mortal i té est liée aux dimensions relatives du poisson et de la roue mais est indépendante des condi t ions hydraul iques régnant dans cette roue, en part icul ier des vitesses absolues V1 et relatives W1 en entrée.

On retrouve donc une observat ion effectuée par certains auteurs, à savoir que la f ract ion la plus importante des dommages était d 'or ig ine mécanique et qu'e l le dépendai t relat ivement peu des condi t ions de fonct ionnement de la turbine.

Il faut se garder cependant de considérer la mortal i té comme un iquement de nature mécanique (chocs, sect ionnement) . Les autres formes de mortal i té, si elles n'ont pas pu être mises en évidence, ne sont pas exclues pour autant. On rappel le que plus de 5 0 % de la var iance sur les mortal i tés des juvéniles de salmonidés reste inexpl iquée. La variabi l i té sur les vitesses en entrée de roue sur l 'ensemble des essais étant beaucoup moins forte sur les turb ines KAPLAN que sur les FRANCIS, il n'est pas étonnant que les dommages éventuels causés par les gradients de vitesses soient plus diff ici les à dégager, leur impor tance devant rester du même ord re de grandeur et relativement faibles — de quelques pour cent — sur la majori té des essais.

Le fait qu' i l ait été impossib le de mettre en évidence l ' inf luence des cond i t ions de vitesse en entrée de roue sur les mortal i tés peut avoir une autre expl icat ion : on a noté, dans la première partie, qu' i l existait une di f férence fondamenta le entre les champs des vitesses dans les roues FRANCIS et KAPLAN : dans les turbines FRANCIS, les vitesses absolues ou relatives en entrée sont relativement homogènes sur toute la hauteur du bord d'attaque de l'aube, ces vitesses variant notablement suivant l 'ouverture des d i rectr ices ; par contre, dans les turb ines K A P L A N , les vitesses absolues en entrée augmentent de la pér iphér ie vers le moyeu, alors que les vitesses relatives, à l'inverse, augmentent for tement du moyeu à la périphérie. Cette hétérogénéi té des vitesses d'un point à l'autre de la roue est beaucoup plus importante que la variat ion de ces mêmes vitesses en un point donné résultant de l 'ouverture ou de la fermeture de la roue. D'où une interprétat ion de l ' impossibil i té à expl iquer les mortal i tés en ayant recours aux tr iangles des vitesses à mi-pale ; on peut cependant di f f ic i lement faire autrement dans la mesure où il est a pr ior i imposs ib le de déterminer sur un essai donné si le poisson a abordé la roue près du moyeu ou au cont ra i re à la périphérie. Uneanalyse par régression a été effectuée en considérant à la fois les tr iangles de vitesse à la périphérie, au moyeu ainsi qu'à mi-pale ; elle n'a rien ajouté à l 'analyse init iale effectuée à part ir des tr iangles des vitesses calculés à mi-pale.

Lors de certaines expér imentat ions, l ' inf luence du régime de fonc t ionnement de la turb ine a été mise en évidence. Sur le Neckar, BERG (1985) a obtenu une relat ion entre la mortal i té et l'angle (Bet1 ) que fait la d i rect ion des fi lets f luides avec le plan de la roue en entrée, angle voisin de celui des pales. La mortal i té sur les angui l les augmentai t s igni f icat ivement au fur et à mesure de la fermeture de la roue: lors d'une réduct ion de débit, l'angle que font les pales avec le plan de la roue d iminue et parallèlement l'espace offert au poisson se trouve l imité.

Le fait que ce facteur n'ait pu être mis en évidence sur l 'ensemble des essais analysés, en part icul ier sur ceux afférents aux angui l les, n'est pas étonnant : sur la majori té des instal lat ions, seuls deux régimes de fonct ionnement ont été testés, ce qui est net tement insuffisant pour espérer dégager des résultats stat ist iques signif icat i fs sur une inf luence éventuel le du régime.

Bull. Fr. Pêche Plsclc. (1989) 312 - 313 - 52 —

CONCLUSIONS Le p lus g rand nombre des ex péri mentations sur le transit des poissons à travers les turbines a

porté sur des salmonidés. Les diverses espèces de salmonidés ne semblent pas être affectées de façon s igni f icat ivement dif férente.

Par cont re , la plupart des autres espèces, en part icul ier les clupéidés, paraissent beaucoup plus f ragi les que les salmonidés, les mortal i tés observées étant de 2 à 3 fois plus importantes. Les morta l i tés, généralement très fortes, constatées sur les anguil les, peuvent s'expliquer par leur taille.

Les dommages ont été classés en trois catégories, suivant leur or ig ine probab le : les dommages d 'ordre mécanique, ceux attr ibués au cisail lement et enf in ceux consécut i fs à l 'exposit ion du po isson à des pressions très rapidement variables ou à la cavitat ion. Si les dommages induits par les chocs mécan iques sont relat ivement faciles à dist inguer, l ' identi f icat ion des autres causes de morta l i té , c o m m e l'effet de la pression, de la cavitation ou celui des gradients transversaux ou long i tud inaux de vitesse est relat ivement subjective. Un même type de dommage (décapitat ion, yeux arrachés...) peut être at t r ibué, suivant l'auteur, à des causes toutes différentes.

Des expér imentat ions ont montré que les poissons tolèrent sans dommages les mises en pression se produisant en amont des turbines. L'effet éventuel de la dépression brutale subie lors du transi t dans la roue, en part icul ier sur la vessie natatoire, dépend de l ' importance relative de cette dépress ion, par rapport à la pression à laquelle est adapté l 'organisme du poisson, et de la vitesse à laquel le s 'effectue cette dépression.

Tant que la réduct ion relative de pression reste inférieure à 50-60% de la pression d'adaptat ion ini t iale, les risques demeurent l imités.

Dans le cas d'une prise d'eau de fond , dans l 'hypothèse où l 'organisme du poisson est adapté à la pression correspondant à la profondeur de cel le-ci , la brusque dépression au passage de la roue, voire le s imple retour à la pression atmosphér ique dans le canal de fuite, pourra entraîner des dommages considérables.

Pour des poissons migrant dans les couches de surface — et donc adaptés à une pression vois ine de la pression atmosphér ique —, les dépressions maximales (en dessous de la pression a tmosphér ique) admissibles dans la turb ine ou dans l'aspirateur sans risques de dommages sont de l 'ordre de 5 m à 6 m d'eau, soit 0.5 à0.6 atmosphère. Certaines expér imentat ions ont d'ail leurs mis en év idence l ' inf luence de la hauteur de suspension de la roue ou du coeff ic ient de Thoma, qui dé terminent l ' importance de la dépression en sortie de roue, sur le taux de mortal i té.

L'effet possible du cisai l lement a été conf irmé en laboratoire en introduisant des poissons dans ou à la pér iphér ie de jets à fortes vitesses: les dommages deviennent notables dès que les vitesses at te ignent des valeurs de l'ordre de 20 m/s. L'effet des gradients longi tudinaux des vitesses, en par t icu l ier lors du transit dans des roues de petites dimensions, n'est pas à exclure.

A l' issue des expér imentat ions effectuées aussi bien en France qu'à l'étranger, il est possible de dégager un certain nombre de points sur les dommages subis par les poissons lors de leur transit à travers les turbines :

— il ne semble pas exister de di f férence signif icative sur les niveaux de mortal i tés atteints dans les divers types de turbines à réact ion — FRANCIS ou KAPLAN — à condi t ion évidemment que ces turb ines fonct ionnent sous des chutes comparables et qu'elles aient des diamètres et des vitesses de rotat ion voisines. Si les mortalités moyennes observées sur les turbines FRANCIS (37%) sont plus importantes que celles observées sur les turbines KAPLAN (9%), ce ne peut être que parce que les premières sont installées sur des chutes plus importantes.

— il est cer ta in que l ' importance de la chute détermine en partie l 'ordre de grandeur des dommages, la chu te déterminant par ai l leurs l ' intensité des vitesses et en partie cel le de leurs gradients en entrée de roue.

— quel que soit le type et les caractér ist iques d'une turbine, un pourcentage minimal de mortalité de 3 % à 5 % semble inévitable.

— sur les turb ines KAPLAN, les dommages les p lus f réquemment observés sont ceux consécutifs à des chocs contre les pales de la roue.

— sur les turbines FRANCIS, la d is t r ibut ion des dommages est très variable suivant le site testé et, sur un même site, suivant les cond i t ions de fonct ionnement de la turbine. Les mortalités attr ibuées aux gradients de vitesse peuvent représenter une part importante des dommages constatés.

— la tai l le du poisson relative à la d imens ion de la turbine ou à l 'espacement entre aubes ou pales de la roue semble être un paramètre important. Il suffit de comparer sur une instal lat ion donnée les morta l i tés afférentes à des poissons de tailles très différentes. L' inf luence de la taille du poisson ne semble cependant très signif icative que sur les dommages d'ordre mécanique.

— cer ta ins auteurs ont mis en évidence la simil i tude des courbes de survie et des courbes de rendement hydraul ique de la turbine. Cette observation ne peut cependant être prise comme une


règle générale: les dommages les plus faibles sur certaines turbines FRANCIS ont de façon indubitable été constatés dans des condi t ions de fonct ionnement très éloignées des condi t ions optimales.

Les observations effectuées lors des expérimentat ions sur la nature de certaines blessures et leur or ig ine possible, comme les gradients longi tudinaux ou transversaux de vitesse ont amené les auteurs à tenter de prendre en considération dans une analyse les condit ions de vitesse absolue et relative régnant dans la roue au moment du passage du poisson.

Les tr iangles des vitesses ont été déterminés en entrée et en sortie de roue à mi-aube et mi-pale.

L'analyse des données sur les turbines FRANCIS a mis en évidence l ' inf luence sur les mortalités de deux facteurs relativement peu liés entre eux :

— d'une part la vitesse absolue V1 en entrée de roue (qui est fortement corrélée à la hauteur de chute).

— d'autre part un groupement de variables où interviennent la vitesse relative W1, la taille du poisson (TL), l'espace inter-aube calculé à mi-aube (esp) ainsi que la vitesse de rotation (N).

La meil leure régression prédictive du pourcentage de mortal i té — ou plus exactement de sa variable transformée AMO — sur les turbines FRANCIS, est la suivante :

AMO = — 4.21 + 1.25 V 1 0 - 8 2 ' + 2.28 N 0 - ' 9 (TL/esp) °- 8 4 W1°- 7 1

Sur les turbines KAPLAN, l ' influence des variables hydraul iques est moins nette, le rapport de la taille du poisson à l'espacement inter-pales calculé à mi-pale se révèle être le meilleur indicateur des dommages potent iels:

AMO = 10.7 + 68.8 (TL/esp)

Les modèles précédents peuvent être uti l isés pour obtenir des ordres de grandeur des mortalités sur des salmonidés et des anguil les. Ils ne sont pas adaptés aux autres espèces, en part icul ier aux juvéni les de clupéidés sur lesquels, jusqu'à preuve du contraire, les dommages s'avèrent beaucoup plus importants, ainsi qu'aux espèces physoclistes, plus sensibles aux variat ions de pression que les espèces physostomes comme les salmonidés.

Les modèles prédicti fs proposés pourront être aisément améliorés et affinés au fur et à mesure que deviendront disponibles les résultats afférents à de nouvelles expérimentations.

Bull. Fr. Pêche Piscic. (1989) 312 - 313 — 54

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Canada,1955

Dept. of Fisheries

Canada, 1958

Ruskin (unité n°3)

Stave River

British Columbia

Canada, 1953

Hamilton et Andrew 1954

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British Columbia

Canada 1957

Andrew et Geen 1958

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California, 1962

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Bull. Fr. Pêche Piscic. (1989) 312 - 313 — 79 — MORTALITE

%

COMMENTAIRE

17

mortalité

immédiate

23,7

mortalité

16,5

après délai

16.5

115o immédiate

5,5S> après 7 j.

7,4-14,1

mort.immédiate

60,1

mortalité

46.6

après

44,1

délai

Pour 6155 direct.

2,5

(I.C.0,6 à 4,4)

7,5

Pour 773 direct.

(I.C.4,8 è 12)

Technique des

ballons, pas de

résultats

POURCENTAGE

DE

RECUPERATION

r~ CN < r

63,3

NOMBRE DE

POISSONS

UTILISES

O cr. o

r i — c o - - r —

CV O J r-. ON

FOURCHETTE

DE TAILLE

( mm)

89 - 140

140 - 216

89 - 140 U U

CN rN

1

CM

TAILLE

MOYENNE

(mm)

CO C O ^ I A ^ VO CO UN CO i/N SQ CO

CLASSE

D'AGE DES

POISSONS

Yearling

Yearling

Yearling

Aloson

Aloson

Fingerling

ESPECE DE

POISSONS

I TESTEE (ORIGINE)*

Saumon

Atlantique

E

Saumon

Atlantique

Saumon

E

Atlantique

Alose

S

Alose

S

Truite

Arc en Ciel

!

INSTALLATION

HYDROELECTRIQUE

Tobique Narrows(unité 1) '

Tobique River

New Brunswick

Canada

McEarchern

1959

Tobique Narrows

(unité 1 et 2)

McEarchern

1960

Tusket's Falls(unitél,2)

Tusket River

Nova Scotia

Canada 1960

Smith, 1960

Tusket Falls(l,2 et 3)

Smith, 1961

Walterville

McKenzie

River

Oregon 1958

Oregon State Game

Commission

Walterville

Donaldson, 1956

U

. —

L J e u

3

*


ANNEXE B

PRINCIPE DE LA DÉTERMINATION DES TRIANGLES DES VITESSES

1. Turbines FRANCIS

Le pr inc ipe de la déterminat ion des triangles des vitesses est tiré de DERIAZ (in BROWN, 1958). On part des condi t ions de débit pour lesquelles la vitesse de l'eau en sortie de roue est axiale, c 'est-à-dire sans composante pér iphérique. Ces condi t ions correspondent à un débit (noté Qax) légèrement supérieur au débit pour lequel le rendement de la turbine est maximal, débit noté Qopt (Qax = 1,04 Qopt)

Les diamètres d'entrée externes et internes de la roue (voir I ) seront notés respectivement par D1e et D1i, les diamètres de sort ie de la roue externes et internes par D2e et D2i.

Les diamètres à mi-aubes en entrée et en sort ie seront notés D1 m et D2m. D1 m est très peu dif férent de D1i pour les turbines FRANCIS lentes, c'est-à-dire à faible vitesse spécif ique.

La vitesse de rotat ion (en t rs/mn) est notée N, la chute nette (en mètres) Hn.

La hauteur de l'aube en entrée, peu différente de la hauteur des directrices pour les turbines à faibles vitesses spécif iques, sera notée Be.

Dans les condi t ions d 'écoulement axial en sortie de roue, on a :

V2u = 0

En faisant l 'hypothèse que la vitesse en sort ie de roue est uni forme tout au long du bord de fui te de l 'aube, on peut écr ire :

V2 = V2m - Qax/(T .D2e 2 /4)

On détermine les caractérist iques du tr iangle des vitesses à mi-aube en sort ie de roue :

U2 = T .D2m.N/60

Bet2 = arctg (V2m/U2)

AK2 = 90° (vitesse de sortie axiale)

W2 = I V2m/sin Bet2 I

On peut alors déterminer les caractérist iques du tr iangle d'entrée :

U1 = T .D1m.N/60

V1m = Qax/ T.D1 e.Be

V1u zzz (o-Ag.Hn + U2.V2u)/U1 avec V2u = 0

(T^est le rendement hydraul ique déf ini dans la première partie. Il est plus grand de quelques pour cent — on prendra 2 % — au rendement proprement dit de la turbine dans la mesure où sont prises en compte pour l 'évaluation de ce dernier les pertes par fuite à travers les joints entre la roue et les part ies f ixes, les pertes par f rot tement aux paliers ainsi que les frottements au niveau de la bâche spirale et du distr ibuteur.

V1 = ( V 1 m 2 A / 1 u 2 ) 7 2

Bet1 = 90° — ârctg (U1—V1u)/V1m

A l f l = arcsin (V1m/V1)

W1 = I V1m/sin Bet1 I

On détermine ensuite les vitesses lorsque l 'écoulement n'est plus axial en faisant l 'hypothèse que l 'angle Bet2 se conserve, d'où les relations :

V2m = Q/(T.D 2S 2 / 4 )

W2 = I V2msin Bet2 I

V2u = U2 — W2.cos Bet2

V2 = (V2m 2 ^V2u 2 ) 7 2

Alf2 = arccos (V2u/V2)

La déterminat ion des tr iangles des vitesses en entrée s'effectue ensuite à l'aide des mêmes expressions que lorsque l 'écoulement est axial, la seule dif férence étant que la composante V2u n'est plus nul le :

V1m = Q/T .D1e.Be

V1u = ( ,V.g.Hn + U2.V2u)/U1

V1 = (V1m 2 - V1u 2 ) ' / 2

Bet1 = 90° — arctg ( U 1 — V1u)/V1m

Alf1 arcsin (V1m/V1)

Bull. Fr. Pêche Plscic. ( 1989) 312 - 313 — 81 —

Exemple : cas d'une turbine FRANCIS tournant à N z z 214 trs/mn sous Hn z z 79 m de chute

nette, déb i tauxcond i t i onsderendement max imum (.895) de53 m 3 /s. Diamètres (externes, internes)

en entrée et en sortie : 3,0 m, 2,68 m, 2,81 m, 1,17 m.

Qax = 56 m 3 /s

Condi t ions axiales :

V2u zz 0 V2 = V2m z z 8.65 m/s U2 = 22.4 m/s Bet2 = 21° Alf2 = 90° W2 = 24 m/s U1 = 30,4 m/s V1m = 8 , 2 m / s V1 u = 23,3 m/s V1 zz 24,7 m/s Bet1 = 49,2° Alf1 = 19,4° W1 — 6,1 m/s

Condi t ions optimales (3/4 charge) :

Q = 53 m 3 /s , rendement hydraul ique : .915

B e t 2 z z 2 1 ° V2m = 8,2 m/s W2 = 22,7 m/s V2u =_ 1,25 m/s V2 = 8,3 m/s Alf2 = 81° V1m = 7 , 8 m / s V1u = 24,3 m/s V1 z z 25,6 m/s Bet1 z z 52° A l f l = 17,7° W1 = 9,8 m/s

Condi t ions maximales :

Q .r- 69 m 3 /s, rendement hydraul ique : .835

Bet2 = 21° V2m = 10,6 m/s W2 z z 29,6 m/s V2u = 5,2 m/s V2 = 11,9 m/s Alf2 _= 116° V1m = 10,1 m/s V 1 u z r 1 8 m / s V1 rz: 20,7 m/s Bet1 = 39° A l f l z= 29,3° W1 = 15,9 m/s

Demi-charge :

Q = 37 m 3 /s, rendement hydraul ique : .83

Bet2-z_21° V2m = 5,7 m/s W2 = 15,7 m/s V2u z= 7,7 m/s V2 = 9,6 m/s Alf2 = 36° V1m = 5,4 m/s V1u = 27,5 m/s V1 = 28 m/s Bet1 izz61° A l f l = 11° W1 = 6.1 m/s

2. Turbines KAPLAN

Le pr inc ipe de calcul des vitesses en entrée et en sort ie de roue pour un débit donné est très voisin de celui uti l isé pour les turbines FRANCIS. O n commence à déterminer les triangles des vitesses dans les condi t ions de sortie axiales (c'est-à-dire avec une composante giratoire de la vitesse de sortie V2u nulle) pour un débit légèrement supérieur au débit en quest ion. Les triangles des vitesses sont dans un premier temps calculés à la périphérie. On passe ensuite aux condi t ions recherchées en écrivant que l'angle Bet2 se conserve. On passe ensuite de la périphérie au moyeu ou à une posit ion quelconque intermédiaire en écrivant que l 'écoulement est sans échange d'énergie et suit la loi du vortex libre.

On notera par Dp, De et Dm les diamètres de la roue à la périphérie, au moyeu et à mi-pale. Les vitesses et les angles seront indicés par p, c et m suivant qu' i ls sont relatifs à la périphérie, au moyeu ou à mi-pale.

Pour les condi t ions axiales, c'est-à-dire un débit légèrement supérieur au débit Q considéré, à la périphérie de la roue :

U1 p = U2p z z T .Dp.N/60

V1mp z z V2mp z z V1m = Qax/(-r . D p 2 / 4 )

V2up z z 0

Al f2p z z 0

Bet2p z z arctg (V1m/U1p)

W2p = z V1m/s in Bet2p

V1 up z z ( ( T 9 " . g . H n - f U1.V2u)/U1p avec V2up z z 0

V1p z z (V1m 2 + V 1 u p 2 ) 7 2

B e t l p z z 90° — arctg (U1—V1up)/V1m

W1p z z I V1m/s in B e t l p I

A l f l p z z arcsin (V1m/V1p)

Pour les condi t ions recherchées (débit Q), l 'angle Bet2p se conserve :

V1m z = Q / (T .Dp 2 / 4 )

W2p z z I V1m/s in Bet2p I


V2up z= U1 p — W2p.cos Bet2p

V2p = (V1m 2 + V2up 2 )V 2

Alf2p = arccos (V2up/V2p)

Les expressions permettant de calculer le t r iangle des vitesses en entrée sont ident iques à cel les ut i l isées pour les condi t ions axiales :

V1up = 1/U1p(rV.g.Hn -f U1p.V2up)

V1p = (V1m 2 + V 1 u p 2 ) V 2

B e t l p = 90° — arctg (U1 P—V1 up)/V1 m

W1p = I V1m/sin B e t l p I

A l f l p = arcsin (V1m/V1p)

Les re lat ions suivantes permettent de passer des tr iangles des vitesses à la pér iphérie à ceux au moyeu (ou à ceux afférents à un d iamètre quelconque, en part icul ier au diamètre à mi-pale) :

V2uc zzz (Dp/Dc).V2up

V1uc = (Dp/Dc).V1up

U l c - (Dc/Dp).U1p

V1mp = V2mp = V1mc r= V2mc = V1m

V1c = (V1uc 2 - ) -V1m 2 ) 1 / 2

V2c = (V2uc 2 + V1m 2 )V 2

W1c = ((U1 c—V1 uc ) 2 + V1m 2 )V 2

W2c = ( ( U 1 c - V 2 u c ) 2 + V 1 m 2 ) 1 / 2

Alf 1 c zzz arccos (V1uc/V1c)

Al f2c = arccos (V2uc/V2c)

B e t l c = arcsin (V1m/W1)

Bet2c = arcsin (V1m/W2)


Instal lat ion Abréviat ion N° test

Couzon C O U Z 1 à 9 Poutès POUT 10 à 12 Mauzac MAUZ 13 à 14 Stornorr fors STORN 15 à 17 Upper Hemsjo UPHEM 18 à 23 Motala MOTA 24 à 29 Cushman CUSH 30 à 42 Shasta SHAS 43 à 55 Gl ines GLIN 56 à 57 Baker BAKER 58 Seton SETON 59 Elwha ELWHA 60 Punt ledge PUNT 61 à 64 Lequi l le LEQ 65 à 85

TURBINES KAPLAN ET BULBES - SALMONIDÉS


Laïlhacar OLOR 1 à 3 Tui l ières T U I L 4 à 7 Angabâck ANG 7 à 10 Langgôl LAG 11 à 12 Motala MOT • 13 à 19 Rock Island ROC 20 à 22 Essex ESS 23 à 24 Foster FOS 25 à 37 Big Cliff BIG 38 à 50 MacNary MCN 51 à 52 Tob ique T O B 53 à 54 Tusket TUS 55 Holyoke HOLY 56 Lower Monumenta l LOW 57 à 58

TURBINES KAPLAN ET BULBES - ANGUILLES


Kvarnaholm EKV 1 à 3 Broby EBR 4 à 5 Nôbbelôv ENO 6 à 7 Emsfors EEM 8 à 9 Karlnàs EKA 10 à 11 Gustavsberg EGU 12 à 15 Langgôl ELA 16 à 19 Angabâck EAN 20 à 22

ANNEXE C

IDENTIF ICATION DES TESTS

TURBINES FRANCIS

UJ X UJ

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