sedimentation unesco

238
Unesco, Paris METHODES DE CALCUL DE LA SEDIMENTATION DANS LES LACS ET LES RESERVOIRS Contribution au Programme Hydrologique Internationale PHI - II Project A.2.6.1 Panel Stevan Bruk, Rapporteur Janvier 1986 Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister. Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Upload: lebrix

Post on 26-Oct-2015

51 views

Category:

Documents


6 download

TRANSCRIPT

Page 1: Sedimentation Unesco

Unesco, Paris

METHODES DE CALCUL DE LASEDIMENTATION

DANSLES LACS ET LES RESERVOIRS

Contribution au ProgrammeHydrologique InternationalePHI - II ProjectA.2.6.1 Panel

Stevan Bruk, Rapporteur

Janvier 1986

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 2: Sedimentation Unesco

Ce livre a été imprimé avec le support du Comité National Yougoslave pour le PHI

© Unesco 1986

Imprimé par l’Institut des Eaux Jaroslav Cerni‘, Belgrade

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 3: Sedimentation Unesco

P R E F A C E

Si la quantité totale d'eau présente sur terre est généralement supposée à peuprès constante, l'accroissement rapide de la population joint à l'extension de laculture irriguée et au développement industriel influencent fortement la quantitéet la qualité de l'eau dans la nature. Face à l'aggravation des problèmes qui seposent, l'homme a commencé à prendre conscience du fait qu'il ne pouvait plus con-sidérer l'eau ni aucune autre ressource naturelle comme bonne à "jeter après usage".Dès lors, la nécessité d'une politique cohérente de gestion rationnelle des res-sources en eau s'est imposée.

Mais cette gestion rationnelle ne saurait se fonder que sur la connaissanceapprofondie du cycle de l'eau, de ses variations et de ses disponibilités. Afin deconcourir à la solution des problèmes posés par l'eau dans le monde, l'Unesco alancé en 1965 le premier programme mondial d'étude du cycle hydrologique: la Décen-nie hydrologique internationale (DHI). Le programme de recherche entrepris a étécomplété par un effort vigoureux d'éducation et de formation en matière d'hydrologie.Les activités de la Décennie se sont révélées du plus haut intérêt et d'une utilitéconsidérable pour les Etats membres. Au bout de ces dix années, la majorité desEtats membres de l'Unesco avaient constitué des comités nationaux de la DHI pourmener à bien des activités nationales et participer à des actions de coopérationrégionale et internationale dans le cadre du programme de la Décennie. La connais-sance des ressources en eau du monde s'était sensiblement améliorée. Partout l'hydro-logie acquérait droit de cité en tant que spécialisation professionnelle à partentière et des moyens de former des hydrologues avaient été créés.

Consciente de la nécessité d'élargir ces efforts en utilisant l'élan imprimépar la Décennie hydrologique internationale, l'unesco, donnant suite aux recomman-dations des Etats membres, a lancé en 1975 un nouveau programme intergouvernementalà long terme: le Programme hydrologique international (PHI), destiné à prolonger laDécennie.

Bien que le PHI soit essentiellement un programme de recherches et d'éducation,l'Unesco est consciente depuis le début de la nécessité d'en orienter les activitésvers la solution pratique des problèmes très réels liés dans le monde aux ressourceshydrologiques. C'est pourquoi les objectifs du Programme hydrologique internationalont été progressivement élargis, conformément aux recommandations de la Conférencesur l'eau organisée par l'Organisation des Nations Unies, afin que le Programme portenon seulement sur l'étude des mécanismes hydrologiques considérés dans leurs rela-tions avec l'environnement et les activités humaines, mais aussi sur les aspectsscientifiques de l'utilisation et de la conservation des ressources en eau à des finsdiverses, de façon à répondre aux besoins du développement économique et social. Sansdétourner le PHI de sa finalité scientifique, on en a ainsi réorienté sensiblementles objectifs vers "ne approche multidisciplinaire de l'évaluation, de la planifica-tion et de la gestion rationnelle des ressources en eau.

Au titre de sa contribution à la réalisation des-objectifs du PHI, l'Unescopublie deux collections : "Etudes et rapports d'hydrologie" et "Notes techniques d'hy-drologie". En outre, afin d'accélérer l'échange des informations dans les domainesoù celles-ci sont particulièrement demandées, elle publie des travaux de nature pré-liminaire sous la forme de documents techniques.

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 4: Sedimentation Unesco

A V A N T - P R O P O S

Ce rapport technique a été préparé conformément à la décision du Bureau du ConseilIntergouvernemental du Programme Hydrologique International (IHP), qui en 1981 a nomméun rapporteur (S. Bruk) et deux rapporteurs-adjoints (Fan Jiahua et H.E. Jobson), pourle projet IHP.II.A.2.6.1. Les représentants de la Commission Internationale surl'Erosion Continentale (J. MC Manus) et du Centre de Formation International pour laGestion des Ressources en Eau (CEFIGRE) (J. Evrard) ont également participé à lapréparation du rapport.

Les objectifs étaient de "récapituler les méthodes de calcul de la sédimentationdes lacs et réservoirs, et de préparer un rapport sur les développements récents". Lerapport devait fournir un résumé des développements récents dans l'étude de lasédimentation des lacs et réservoirs et dans le domaine des méthodes pratiques decalcul. Il devait comporter des recommandations quant aux moyens appropriés pourempêcher ou réduire l'envasement des réservoirs pendant leur exploitation. Enfin, lerapport devait tenter d'identifier les besoins futurs en recherche, ainsi que proposerdes mesures possibles dans le cadre de la troisième phase de l'IHP (1984-1989).

Le contenu de ce rapport et les premières versions de ses chapitres ont étéexaminés lors de réunions à PARIS en Juillet 1981 et Septembre 1982. Les six chapitresont été fournis par les membres du groupe suivants :

Chapitre 1 : Impacts Technico-Economiques de la Sedimentation dans un réservoirde J. Evrard, Electricité de France, Béziers, FRANCE

Chapitre 2 : Les Mécanismes Physiques de la Sédimentation dans une Retenuede J. Mc Manus, University of Dundee, Dundee, U.K.

Chapitre 3 : Mesures in Situde H.E. .Jobson, U.S. Geological Survey, Mississipi, U.S.A.

Chapitre 4 : Méthodes de Préservation de la Capacité totale d'une retenuede Fan Jiahua, Institut de la Conservation de l'Eau et de la Recherchesur l'Energie Hydroélectrique, Beijing, CHINE

Chapitre 5 : Méthodes de Prévisionde S. Bruk, Institut "Jaroslav Cerni" pour le Développement desRessources en Eau, Belgrade, Yougoslavie

Chapitre 6 : Conclusions et Recommandationspar les auteurs des six chapitres, rassemblées et éditées par S. Bruk

Monsieur B.R. Payne de l'Agence Internationale pour l'Energie Atomique a contribuéau Chapitre 3.

Les premières versions de tous les chapitres ont circulé parmi tous les membres dugroupe, et ont été réciproquement critiquées. Les manuscrits ont été corrigés par le Dr.Mc Manus pour leur édition anglaise, et Monsieur H.E. Jobson s'est chargé de la mise enpage en "caméra-ready".

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 5: Sedimentation Unesco

Monsièur Zhang Youshi,l'Eau,

Spécialiste de Programme dans la Division des Sciences deétait le secrétaire technique du projet, et a contribué à la coordination des

efforts.

Des organismes internationaux, tels qua l'organisation Mondiale de la Méteorologie,l'Agence Internationale pour l'Energie Atomique, la Commission Internationale surl'Irrigation et le Drainage, l'Association Internationale de l'Hydrologie Scientifiqueet sa Commission sur l'Erosion Continentale, avec le Centre de Formation Internationalpour la Gestion des Ressources en Eau (CEFIGRE), ont Bté informés des progrès du projet.

Le contenu du rapport a été examiné lors de la première réunion des rapporteurs àl'UNESCO à PARIS entre le 29 juin et le ler Juillet 1981, et révisé ensuite lors de ladeuxième réunion, également à l'UNESCO à PARIS, entre le 20 et 24 septembre 1982. Lerapport a été achevé et soumis à la discussion dans une version préliminaire pendant unesession spéciale du 2e Symposium International sur la Sédimentation des Rivières àNanjing, entre le 11 et 16 octobre 1983.

Dans le rapport final, les auteurs ont répondu aux remarques et aux suggestionssurvenues pendant les discussions de Nanjing. Une proposition sur les activités àpoursuivre, élaborée pendant la réunion de Nanjing. se trouve dans le dernier chapitrede ce rapport.

Belgrade, Mai 1983 Stevan Bruk, Rapporteur

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 6: Sedimentation Unesco

TABLE DES MATIERES

INTRODUCTION

Les objectifs du rapport ................................................ iL'approche utilisée ..................................................... iLes points soulignés dans les chapitres du rapport ...................... ii

CHAPITRE l- IMPACTS TECHNICO-ECONOMIQUES DE LA SEDIMENTATIONDANS UN RESERVOIR

1.11.1.11.1.21.1.31.1.41.21.2.1

1.2.21.2.31.2.41.31.3.1

1.3.2

IMPACTS PHYSIQUES ET BIOLOGIQUES ................................Influence sur la retenue ...................................Influence sur la partie amont des affluents ................Influence sur l'émissaire ..................................Influence des sédiments sur la bioscénose aquatique ........

~IMPACT SUR LA SECURITE DE L'OUVRAGE .............................Influence sur la capacité des vidanges et desévacuations de fond ........................................Influence sur la vantellerie ...............................Influence sur l’ouvrage ....................................Influence sur la sécurité de l'ouvrage .....................

IMPACTS ECONOMIQUES ET SOCIAUX ..................................Influences dues à la diminution de lacapacité de la retenue .....................................Influences dues à la diminution de la surfaceutilisable de la retenue ...................................

CHAPITRE 2 -MECANISMES PHYSIQUES DE LA SEDIMENTATION DANS UNE RETENUE

2.1 INTRODUCTION .................................................... 142.2 NATURE DES APPORTS SOLIDES ...................................... 152.3 LES EFFETS MORPHOLOGIQUES DE LA CREATION D'UNE RETENUE .......... 172.3.1 Engravement à l'amont de la retenue ........................ 212.3.2 Affouillements à l'aval de la retenue ...................... 222.4 MOUVEMENT DES MATERIAUX SOLIDES DANS UNE RETENUE ................ 222.4.1 Effets du vent ............................................. 232.4.2 Echauffement solaire ....................................... 282.4.3 Contribution de la rivière ............................... . . 292.5 GEOMORPHOLOGIE DES DEPOTS EN FOND DE RETENUE .................... 362.6 EROSION DES BERGES .............................................. 37

CHAPITRE 3-MESURES IN SITU

3.1 MESURES IN SITU DU DEBIT SOLIDE ENTRANT ET SORTANTD'UNE RETENUE ...................................................

3.2 VITESSES D'ACCUMULATION .........................................3.2.1 Méthodes topographiques ....................................3.2.2 La datation des sédiments ..................................3.2.3 La télédétection ...........................................3.3 DENSITE DES SEDIMENTS ...........................................3.4 GRANULOMETRIE ....................................................3.5 LES COURANTS' ....................................................3.6 TEMPS DE SEJOUR DANS LES RETENUES ...............................

454848545658596062

22337

10

1011111111

11

13

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 7: Sedimentation Unesco

CHAPITRE 4 - METHODES DE PRESERVATION DE LA CAPACITE TOTALED'UNE RETENUE

4.14.1.1

4.1.2

4.1.34.24.2.14.2.24.2.34.34.44.4.14.4.24.4.3

METHODES POUR MINIMISER LA SEDIMENTATION DANS UNE RETENUE .......La conservation des sols comme moyen de minimiserla pénétration de matériaux solides dans une retenue .......Le blocage et la rétention des matériauxpar un écran de végétation ..................................La dérivation des écoulements turbides .....................

METHODES POUR EVACUER LE MAXIMUM DE MATERIAUX SOLIDES ...........Le contrôle de l'écoulement pendant les crues ..............La chasse par vidange .............. .........................Les courants de densité comme moyen de chasse ..............

VIDANGES DE FOND ................................................LA RECUPERATION DE LA CAPACITE ..................................

La chasse des sédiments ....................................Le dragage .................................................L'extraction par siphonnement ..............................

CHAPITRE 5 - METHODES DE PREVISION

5.1 LES OBJECTIFS ET L'ETENDUE DE LA PREVISION ......................5.1.1 Les objectifs ..............................................5.1.2 Les décisions basées sur la prévision de la

sédimentation dans une retenue .............................5.1.3 L'importance de la probabilité .............................5.2 PREVISION DE LA SEDIMENTATION DANS UNE RETENUE ..................5.2.1 Méthodes empiriques ........................................5.2.2 Modèles mathématiques de la sédimentation

dans une retenue ...........................................5.3 PREVISION DE LA RECUPERATION ET DE LA PRESERVATION

DE LA CAPACITE ..................................................5.3.1 Un modèle de l'écoulement instable se produisant

lors de vidanges et de chasses .............................5.3.2 L'érosion régressive .......................................5.3.3 L'évacuation des courants de densité .......................5.4 PREVISION DE L'AFFOUILLEMENT A L'AVAL ...........................

CHAPITRE 6 - CONCLUSIONS ET RECOMMANDATIONS

6.1 EVALUATION DES IMPACTS DE LA SEDIMENTATION DANS UNE RETENUE .....6.1.1 Impacts physiques et écologiques ...........................6.1.2 Impacts sur la sécurité de l'ouvrage .......................6.1.3 Impacts économiques et sociaux .............................6.2 LA COMPREHENSION DES PHENOMENES PHYSIQUES .......................6.2.1 Le processus physique de la sédimentation ..................6.2.2 La nature des sédiments ....................................6.3 MESURES ET ETUDES TOPOGRAPHIQUES DE RETENUES ....................6.3.1 Mesures des sédiments ......................................6.3.2 L'étude topographique d'une retenue ........................6.3.3 Les techniques d'études topographiques .....................6.3.4 Le datage des sédiments ....................................6.3.5 Les courants dans une retenue ..............................

68

68

74788181

101118136148148152158

168168

171175176176

179

190

190192194203

214214215215215215215216216216216216

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 8: Sedimentation Unesco

6.46.4.16.4.2

6.4.36.56.5.16.5.26.5.36.5.4

6.5.5

6.5.66.6

METHODES DE PRESERVATION DE LA CAPACITE DE LA RETENUE ...........Techniques visant à diminuer les apports solides ...........Mesures visant à diminuer la décantationdans la retenue ............................................La récupération du volume perdu ............................

METHODES DE PREVISION ...........................................Les objectifs de la prévision ..............................Les incertitudes et l'analyse de sensibilité ...............Méthodes de prévision empiriques ...........................Les modèles mathématiques de la sédimentationdans une retenue ...........................................L'évaluation de l'efficacité des mesures derécupération de volume .....................................La prévision de l'érosion à l'aval des barrages ............

RECOMMANDATIONS POUR DES ACTIVITES COMPLEMENTAIRES ..............

ANNEXE A- LA MESURE DU TAUX D'ACCUMULATION DES SEDIMENTS A PARTIRDE DONNEES D'ISOTOPES RADIOACTIFS ...........................

216217

217217216216216219

219

219.220221

222

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 9: Sedimentation Unesco

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

LES OBJECTIFS DU RAPPORT

Le calcul de la sédimentation dans une retenue est considéré dans ce rapportcomme étant un outil de prévision lors de la planification, la conception etl'exploitation d'un ouvrage hydraulique. Puisque ces calculs visent ainsi desobjectifs techniques précis, ils exigent une définition exacte du but desprévisions. Il faut donc préciser : le degré de l'importance technique et économiquedu problème, les phénomènes physiques devant être représentés par un modèle, lesmesures techniques devant être planifiées à partir des prévisions, et la nature desmesures in situ qui peuvent être effectuées pour appuyer les calculs.

Ainsi, la portée du rapport est quelque peu élargie par rapport à ce qu'indiqueson titre. Car non seulement le rapport rappelle les méthodes de calcultraditionnelles, mais il traite également de tous les autres aspects de lasédimentation dans une retenue, aspects essentiels d'un point de vue technique.Ainsi, le chapitre 1 traite des impacts techniques et socio-économiques de lasédimentation dans un réservoir ; le chapitre 2 traite des phénomènes physiques liésà la sédimentation dans des lacs et des retenues ; le chapitre 3 résume les méthodeset les instruments de mesure ; le chapitre 4 présente des méthodes de préservationde la capacité d'une retenue et de récupération de la capacité perdue ; tandis queles principales méthodes de prévision, qui sont sous-jacentes dans les chapitresprécédents, se trouvent résumées dans le chapitre 5. Enfin, les principalesconclusions du rapport sont réunies dans le chapitre 6, qui contient égalementquelques propositions en ce qui concerne des actions complémentaires de la 3e phasedu Programme Hydrologique International.

En raison du peu de temps et de ressources disponibles, il était impossible quele rapport traite de tous les divers problèmes de sédimentation dans les lacs et lesretenues. Puisque l'impact technique de, la sédimentation est infiniment supérieurdans une retenue artificielle par rapport à un lac naturel, les auteurs ont portél'essentiel de leur attention sur les retenues plutôt que les lacs naturels.Pareillement, le rapport concerne essentiellement des retenues profondes plutôt quedes réservoirs peu profonds qui présentent plusieurs phénomènes physiques etécologiques dont il n'est pas question dans le rapport. Il a été cependantrecommandé que ces réservoirs peu profonds fassent l'objet d'un rapport techniquespécifique lors de la prochaine phase de l'IHP.

L'APPROCHE UTILISEE

Conscients des limites préalables, les auteurs ont choisi une approche réalistelors de la rédaction du rapport, basée sur les principes suivants :

- utilisation par les auteurs de toutes les données qui leur sont accessibleslors de la rédaction de leur chapitre, sans tenter de fournir ou d'utiliserune liste de références complète ou exhaustive

Le Service de documentation d'ELECTRICITE DE FRANCE a contribué de façonconsidérable au rassemblement de données. La documentation rassemblée par leCEFIGRE a été également mise à la disposition des auteurs du rapport.

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 10: Sedimentation Unesco

- responsabilité pour chaque partie du rapport intégralement partagée par tousles collaborateurs.

Ce principe a été satisfait après avoir discuté des chapitres lors deréunions, et tous les chapitres ont circulé parmi les collaborateurs avantd'être publiés.

La dernière révision du rapport a été effectuée lors du 2e SymposiumInternational sur la Sédimentation dans les Rivières (du 11-14 Octobre 1983,Nanjing, CHINE).

- respect des dates limites pour le rapport préliminaire (Octobre 1983) et pourle rapport final (Décembre 1983).

Les auteurs ont estimé que le problème de la sédimentation dans desretenues demande des mesures immédiates, et que ce rapport doit servir debase pour une action future plutôt que de constituer une référenceparfaitement mise à jour. Ils ont jugé qu'il était préférable de terminer lerapport dans les délais prévus plutôt que de développer et affiner soncontenu au risque d'en retarder la publication.

LES POINTS SOULIGNES DANS LES CHAPITRES DU RAPPORT

Voici un commentaire très bref en ce qui concerne les points principaux dechaque chapitre du rapport.

Chapitre 1 : "Impacts Technico-économiques de la Sédimentation dans un Réservoir"(auteur J. Evrard)

L'accent est mis sur l'exhaustivité du résumé de tous les impacts,résumé destiné aux décideurs, aux ingénieurs d'études et auxexploitants des réservoirs.

Chapitre 2 : "Les Mécanismes Physiques de la Sédimentation dans une Retenue" (auteurJ. McManus)

L'accent est mis sur une description qualitative et une compréhensiondes phénomènes observés dans les lacs et les réservoirs ayant trait àla sédimentation.

La nécessité de recherches supplémentaires au sujet de certainsphénomènes encore peu connus est soulignée.

Chpaitre 3 : "Mesures in Situ" (auteur H. E. Jobson avec une contribution de B. R.Payne)

Il est surtout question des nouvelles ‘techniques de mesure spécifiquesaux réservoirs, telles que l'étude topographique,' le calcul de ladensité des dépôts, la datation des dépôts, etc..., tandis que lestechniques traditionnelles de mesure des sédiments ne sont mentionnéesque brièvement.

ii

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 11: Sedimentation Unesco

Chapitre 4 : "Méthodes de Préservation de la Capacité Totale d'une Retenue" (auteurFan Jiahua)

Les méthodes diverses utilisées partout dans le monde sont décrites àl'aide d'un grand nombre de cas spécifiques, dont certains sontmentionnés pour la première fois dans une publication internationale.

Chapitre 5 : "Méthodes de Prévision " (auteur S. Bruk)

L'importance d'une bonne définition des objectifs et de la philosophiede la prévision est soulignée, et les méthodes habituelles deprévision sont résumées. Des nouvelles méthodes sont égalementexaminées.

Outre des modèles relatifs à la sédimentation dans une retenue et auxaffouillement8 à l'aval des barrages, des méthodes de calcul pour larécupération et la préservation de la capacité totale sont égalementexaminées.

Chapitre 6 : *'Conclusions et Recommandations" (édité par S. Bruk)

Ce chapitre présente un résumé des conclusions des différents chapitresdu rapport, et il contient des recommandations pour des actionscomplémentaires. Ces recommandations reflètent une vue plus globale del'exploitation d'une retenue, où les problèmes de sédimentation sonttrès liés à ceux de la qualité de l’eau. La nécessité d'étudierspécifiquement les problèmes des retenues peu profondes est égalementsoulignée.

111

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 12: Sedimentation Unesco

IMPACTS TECHNICO-ECONOMIQUES DE LA SEDIMENTATION DANS UN RESERVOIR

La maîtrise des ressources en eau passe généralement par la construction d'un barragequi permet de pallier l'irrégularité des apports hydriques en accumulant des réserves.

Mais la retenue artificielle, comme les lacs, est condamnée inexorablement aucomblement, même si ce comblement intervient sur des durées très grandes.

Or, la création d'un barrage entraîne le plus souvent un bouleversement du tissusocio-économique local avant d'induire les richesses dont il est porteur.

De plus, la localisation et la perception de ces richesses seront variables selon lebut dévolu au barrage.

C'est ainsi qu'un barrage à vocation énergétique jouera pleinement son rôle dès samise en service ; par contre, du fait de la fluidité de l'énergie électrique, la richesseainsi créée n'aura pas de répercussions perceptibles localement. Il en sera tout autrementd'un ouvrage à vocation agricole dont le bénéfice ne se fera sentir que trèsprogressivement, au fur et à mesure de l'évolution des procédés de culture dont on saitqu'ils sont lents ; par contre les richesses seront apparentes localement etrégionalement.

Il est de toute manière certain que la création d'une retenue engendre directement ouindirectement une transformation du milieu naturel, social et économique.

Il est donc évident que le comblement d'une retenue serait intolérable pour lesacteurs de la transformation si par impéritie du décideur il devait se réaliserprématurément. Le comblement, puisque comblement il y aura, doit être prévu, contrôlé etse faire à un rythme qui permet une reconversion quasi imperceptible de l'activité qu'il aengendrée.

Par ailleurs, les ressources hydriques et le réseau hydrographique sont limités. Lessites économiquement utilisables sont encore plus réduits et il serait impensable que l'onstérilise les meilleurs sites en faisant ainsi supporter aux générations futuresl'imprévoyance des décideurs ou leur hâte excessive.

Par conséquent, un barrage est un ouvrage qui doit être l'objet d'études qui doiventêtre engagées bien en amont de la décision définitive. C'est une des oeuvres humaines oùla mise en oeuvre des méthodes d'analyse de système devra être la plus vigoureuse. Lemaître d'oeuvre encore plus qu'un décideur devra être le coordinateur d'une équipepluridisciplinaire, soudée et motivée, ouverte sur les différents aspects et buts del'ouvrage et qui devra prendre en compte la lutte contre la sédimentation qui constitue leplus grand fléau des barrages.

Le grand barrage, du fait de la pénurie croissante des sites, ne peut être considérécomme un ouvrage à but spécifique, mais comme un ouvrage à buts multiples qui devra, parune conception optimale maximiser les profits et minimiser les inconvénients. C'est unevéritable opération d'aménagement du territoire et si le décideur venait à l'ignorer, lesacteurs socio-économiques négligés viendraient un jour ou l'autre à le lui rappeler etcela quand bien même il bénéficierait d'un enrichissement sans cause.

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 13: Sedimentation Unesco

l-l IMPACTS PHYSIQUES ET BIOLOGIQUES

L'insertion d'un barrage dans une vallée entraîne :

- une modification du régime des débits,- une transformation des caractéristiques du lit de l'affluent au droit de la retenue,- une évolution profonde des conditions dans lesquelles s'effectue le transport

solide.

La nature de l'ouvrage peut avoir en outre, une influence sensible sur les apportsd'eau disponibles en aval lorsqu'il y a dérivation partielle ou totale des apportsentrants.

L'unité de bassin fait qu'il n'est pas possible de soustraire un tronçon de larivière de son contexte sans qu'il en résulte de perturbations plus ou moins importantesau niveau du bassin tout particulièrement pour ce qui concerne la sédimentation et sesconséquences.

l-l-l Influence sur la retenue

La présence d'une retenue entraîne un accroissement des sections disponibles pourl'écoulement de l'affluent. Il y a donc diminution des vitesses et par conséquent de laforce tractrice disponible pour le transport des matériaux solides.

Il en résulte un atterrissement dont les conséquences dépendront de son organisationdans la retenue.

Le mécanisme qui en sera précisé au chapitre 2, peut se schématiser de la façonsuivante :

Les matériaux solides transportés par le flot s'échelonnent dans la retenue d'amonten aval et de la granulométrie la plus grossière à la plus fine.

Il y aura ainsi :

- création d'un delta sous-lacustre formé de matériaux grossiers dont l'organisationet la progression dépendront du régime des eaux et des variations de niveau duréservoir.

L'apparition de ce delta entraîne l'exhaussement des fonds et du fait du relèvementdu niveau de base peut, en dehors de l'amputation de la réserve utile, entraîner :

- une divagation du lit de la rivière et le cas échéant des tirants d'air sous lesponts qui peuvent avoir des conséquences sur une éventuelle navigation,

- des submersions des terres riveraines lors des crues, notamment s'il s'agit desrelais créés par les atterrissements colonisés par une végétation arbustive ou misen culture,

- l'apparition de palus par suite du relèvement du niveau de base de la nappephréatique,

2

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 14: Sedimentation Unesco

- entraînement des matériaux fins qui se déposeront sur la surface de la cuvette enfonction du champ de vitesse résultant des débits, du vent, des échangesthermiques. Ces matériaux se répartiront entre la zone littorale ou eulittorale etla zone sublittorale dans laquelle les silts et les vases sont entraînésprogressivement jusqu'au barrage où ils s'accumuleront en constituant, danscertaines conditions, un véritable lac de boue.

Les matériaux fins répartis en majeure partie sur la surface de la cuvetteaffecteront les tranches mortes et utiles.

Dans les zones littorales, il y aura exhaussement marqué des anses, criques et hautsfonds propices à l'apparition d'une végétation aquatique qui, en se développant,accélèrera le processus de consolidation des apports. Ces matériaux, mis à sec lors desmarnages prolongés de la retenue, pourront être l'objet d'une érosion éolienne gênantepour les riverains.

Dans les zones sublittorales profondes, il y aura consolidation progressive, donccomblement de la tranche morte si l'évacuation vers l'aval n'est pas assurée.

Les effets des atterrissements sont fonction de la position de la confluence du oudes affluents par rapport aux ouvrages. Il est en effet évident qu'un affluent dont ledébouché serait situé au droit d'une prise d'eau, devrait être l'objet d'une attentiontoute particulière.

Hormis les apports solides extérieurs, il est nécessaire de tenir compte des érosionset éboulements de berge - ou même de versants - engendrés par les vagues et le drainagedes terrains dus au marnage.

l-l-2 Influence sur la partie amont des affluents

La surélévation du niveau de base du ou des affluents consécutive à la création d'unplateau sous-lacustre engendrera un exhaussement progressif du lit de la rivière d'aval enamont.

Cet exhaussement pourra entraîner comme nous l'avons précisé des divagations du coursd'eau et la submersion des terres riverains, notamment lorsqu'il s'agit de relais ouatterrissements mis en culture.

Il peut également engendrer des difficultés pour la navigation du fait de ladiminution des tirants d'eau et d'air s'il s'agit d'une rivière navigable.

Par ailleurs, les travaux de protection et de restauration des sols, la création depièges à sédiments sur le bassin versant supérieur accroîtront, en diminuant l'érosion, lepotentiel de charriage à l'aval du système de défense. Il pourra en résulter des effetsd'affouillements qui ne se compenseront pas forcément avec le phénomène d'exhaussementdirectement engendré par la retenue.

l-l-3 Influence sur l'émissaire

Les effets d'un grand barrage se font pleinement sentir sur son émissaire.

En effet, l'ouvrage :

- intercepte une fraction plus ou moins importante du peloux et de toutes manièresmodifie sa granulométrie en bloquant les matériaux grossiers dans la partie amontdu réservoir,

3

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 15: Sedimentation Unesco

- change le régime des eaux car, même lorsqu'il n'y a pas dérivation, donc égalitésur un cycle annuel du réservoir entre le débit moyen naturel entrant et le débitmoyen corrigé sortant, il y a modification des courbes de-débit et en outre, leplus souvent, écrêtement des crues faibles et moyennes. Cette modification durégime peut être beaucoup plus sévère s'il y a dérivation d'une fraction desapports dans le réservoir.

A - Sur les caractéristiques du lit :

La régularisation des débits liée à la clarification des eaux entraîne lorsqu'il n'ya pas dérivation d'une partie des apports,se déplacera vers l'aval,

une érosion avec gradient de débit solide, quijusqu'au moment où l'équilibre sera atteint entre la force

tractrice et le charriage.

Il en résultera donc sur ce tronçon un sur-creusement du lit dont l'importance peutêtre limitée par la présence de seuils rocheux.

Cet enfoncement devrait faciliter l'écoulement des crues.

Il peut par contre :

- affecter le niveau de la nappe phréatique de la plaine alluviale en abaissant laligne d'eau, c'est-à-dire le niveau de base s'il s'agit d'une nappe de versant ouen appauvrissant la nappe si cette dernière tire son alimentation de la rivière.

- entraîner la remontée du coin salé, donc la pollution de la nappe et des risques deremontée du sel dans les terres si l'on est près de l'estuaire.

- favoriser l'affouillement des ouvrages d'art et l'instabilité des berges.

Dans le cas où il y a soutirage d'une fraction des débits, l'érosion sera forcémentmoins intense puisque le débit clarifié sera plus réduit.

Il peut y avoir saturation du débit restitué à l'aval lorsqu'il y a soutirage d'uneeau clarifiée et restitution à l'aval d'une fraction importante du débit solide. Il enrésulte alors une diminution du potentiel tractif disponible et des attérrissements seproduisent à l'aval du barrage.

L'exhaussement qui en résulte gêne l'écoulement des crues et provoque des divagationsdu cours d'eau.

Les conséquences de l'aménagement devront être étudiées sur un modèle mathématiquequi, seul, permet de prendre en compte l'ensemble du cours aval. De l'exploitation de cemodèle devront découler des ouvrages de correction et des consignes d'exploitationdestinés à pallier les éventuels effets néfastes du barrage.

L'écrêtement des crues faibles et moyennes et le bloquage des apports solidessuppriment pratiquement les possibilités d'alluvionnement des champs d'inondation de lavallée. Il peut en résulter, s'il s'agit de limons fertiles donc riches en matièresorganiques, ce qui est rarement le cas, un appauvrissement de la plaine alluviale.

Il faut, toutefois, admettre du point de vue de la pédologie que la fertilité n'estpas le seul élément à prendre en compte puisque les dépôts périodiques de limon, surcertains sols caillouteux, peuvent compenser l'érosion éolienne favorisée par la mise enculture, donc maintenir un équilibre à la coupe granulométrique et contribuer ainsi à laconservation des sols.

4

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 16: Sedimentation Unesco

B - Confluence avec les tributaires :

Les tributaires torrentueux donnent généralement naissance au niveau de la confluenceà un cône de déjection de laves torrentielles qui est raboté régulièrement par le débitnaturel et surtout par les crues annuelles de l'émissaire.

La régularisation ou la diminution des débits et l'écrêtement des crues faibles etmoyennes supprime l'action érosive et le cône obstrue alors le lit de la rivière ce quipeut lors d'une crue importante rejeter le cours de la rivière sur la rive opposée et mêmecréer un véritable embâcle qui entraînera la submersion des terrains amonts et peut avoir,du fait de sa rupture inéluctable, de graves conséquences pour l'aval en libérantbrutalement d'importants volumes d'eau.

On peut remédier efficacement à ces phénomènes en restaurant la couverture végétaledu bassin de réception et en créant des ouvrages de correction dans la gorge du torrent,ouvrages qui arrêteront les matériaux et diminueront la pente. Le cône de déjection sera,jusqu'à ce que l'extinction du torrent soit obtenue, contenu par un système de digue quifavorisera l'écoulement des laves torrentielles en orientant la confluence vers l'aval.

C - Sur le gisement de granulats :

L'interception partielle ou quasi totale des matériaux grossiers entraîne le nonrenouvellement du gisement d'agrégats dans le lit de l'émissaire.

Il est donc important de mettre en place une politique d'organisation des extractionssous peine d'épuiser prématurément le gisement. Il est d'ailleurs souhaitable d'inciterles extracteurs à s'installer à l'amont de la retenue dans la zone du delta sous-lacustre.

Le surcreusement peut entraîner l'abaissement de la nappe phréatique. et uneexploitation anarchique des souillies peut avoir en outre des effets catastrophiques surla stabilité du lit lors des grandes crues.

Les difficultés sont exacerbées lorsqu'il y a dérivation des débits, la libération dulit majeur étant alors propice à une installation aisée des ballastières.

D - Sur l'estuaire :

La diminution du transport solide entraîne un déséquilibre au niveau de l'embouchure,déséquilibre particulièrement sensible dans une région deltaïque.

L'érosion marine dûe aux courants cotiers et à l'action des vagues n'est pluscompensée et il y a recul et même quelquefois disparition d'une zone dont la richessevivante et quelquefois agricole est bien connue.

Les grandes crues pourront, par ailleurs, achever brutalement ce travail de sape descourants marins. En effet, lorsque le barrage est proche de l'estuaire, le flot peut nepas être totalement saturé en matériaux solides dono présenter un potentiel érosifimportant.

Le jet du courant de crue engendre par ailleurs des courants de retour qui peuventrenforcer le transit littoral.

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 17: Sedimentation Unesco

Lorsque les conséquences de ce déséquilibre sont jugées intolérables, il est possibled'y porter remède aux moyens d'ouvrages de défense appropriés tels que : digues, brise-lames et épis.

Il s'agit d'ouvrages coûteux qui devront être étudiés, une fois que leur fonctionaura été parfaitement définie, sur modèle mathématique ou physique par des spécialistes.

E - Effets des chasses et des vidanges :

Le rejet à l'aval des vases accumulées dans un barrage est entraîné par certainesopérations effectuées pour des raisons de :

- sécurité : vidanges règlementaires (l'inspection subaquatique ne pouvant êtretoujours réalisée) travaux confortatifs, essais périodiques des vannes . . .

- d'exploitation : évacuation des crues . . .

- économiques : maintien de la capacité de la retenue entraînant des chasses ou desmodes d'exploitation favorisant le transfert des boues, dragage, siphonnage . . .

Ce rejet est inévitable, quelles que soient les précautions prises. En effet, larivière entame profondément en fin de vidange le plateau vaseux de la cuvette jusqu'à cequ'elle ait retrouvé son lit mineur.

L'essorage des terrasses qui en résulte, entraîne ensuite l'effondrement de pansentiers de vase. Il faut de toutes manières noter que la pente limite d'équilibre d'untalus de vase émergée est inférieure à celle d'un talus immergé ce qui entraînera denouveaux glissements.

Il peut y avoir, en outre, évacuation du lac de boue ; ses conséquences peuvent enêtre atténuées par un mélange judicieux des eaux de surface et de fond.

Les concentrations de matières solides qui en résultent peuvent entraîner des dégâtsirréversibles.

Les dépôts s'effectueront de façon sélective d'amont en aval ; il y aura accumulationdes matériaux grossiers près du barrage avec exhaussement des fonds, puis apparition debancs de sable, enfin de bancs de limon.

Il en résulte donc une modification des pentes et un encombrement du lit qui pourrontavoir des répercussions sur l'écoulement des crues et entraîner la submersion et mêmequelquefois l'érosion des terres riveraines. La modification de la granulométrie du litpeut, d'une part, avoir des effets sur le charriage en créant les conditions du pavage,d'autre part, altérer l'exploitation des ballastières.

Les fines peuvent colmater le lit, donc perturber l'alimentation des nappesphréatiques, ce qui peut avoir des conséquences catastrophiques pour l'agriculture.

Enfin, le rejet des vases, notamment, peut avoir des répercussions néfastes sur labioscénose, répercussions qui seront examinées au paragraphe suivant.

Il est donc essentiel pour toutes ces raisons d'étudier les conditions danslesquelles devront s'effectuer les rejets compte tenu de l'hydrologie de la rivière.

6

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 18: Sedimentation Unesco

Ces études doivent prendre en compte :

- la géologie du bassin versant de façon à déterminer la nature et les propriétésphysiques du peloux ; un rapprochement avec les observations effectuées sur un siteanalogue sera essentiel pour prévoir ce que seront les propriétés rhéologiques dusédiment ;

- la morphologie du lit, profils en long et en travers ;

- le régime hydrologique de la rivière et les conditions d'exploitation del'ouvrage.

l-l-4 Influence des sédiments sur la bioscénose aquatique

Les sédiments sont un des facteurs de la bioscénose aquatique.

En effet, cette dernière dépend notamment :

- du flux d'énergie transmis au milieu par le rayonnement solaire, flux qui déterminel'activité photosynthétique ;

- du cycle de la matière ou cycle biogéochimique.

La pénétration du rayonnement au sein de la masse liquide dépend de la turbidité del'eau donc des matières en suspension.

Le cycle de la matière est lié, entre autres facteurs, à la nature des matièrestransportées et à l'organisation des dépôts dans le réservoir. Ces derniers sont, pourl'essentiel, constitués du peloux, fruit de l'érosion du bassin versant auquel sontassociées les substances provenant des rejets consécutifs aux activités humaines sur lebassin versant.

Ces substances peuvent être rejetées à la rivière par :

- le ruissellement, ou bien par les colatures d'irrigation qui peuvent entraîner unlessivage des terres lorsque l'irrigation est gravitaire et excessive. Il s'agitd'engrais organiques naturels du genre humus, fumier, mais le plus souventd'engrais chimiques à base d'azote et de phosphore accompagnés de pesticides oupoisons du type herbicides, insecticides ou fongicides qui en sont leurscompléments inéluctables ;

- les effluents des égouts urbains et industriels dont l'épuration est négligée ouinsuffisante.. Ces rejets contiennent des produits organiques, mais aussi des selsde métaux lourds toxiques tels que le chrome, le cadmium et le mercure.

Les réactions synergiques entre certaines substances ne sont pas exclues et l'onobserve, en outre, une accumulation sélective de certaines d'entre elles dans lessédiments. Cette concentration peut être ensuite exaltée au long de la chaîne trophique.

C'est ainsi, que par le jeu de ces processus, des substances toxiques pratiquementindécelables dans l'eau, peuvent entraîner des troubles graves pour les organismes vivantssupérieurs.

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 19: Sedimentation Unesco

Mais ces substances peuvent avoir, outre leurs effets directs, des effets indirectssur la biomasse. En effet, elles peuvent affecter les mécanismes de régulation biologiquesen agissant sur les "télémédiateurs chimiques" qui sont des substances synthétisées parles espèces vivantes qui semblent conditionner leur comportement dans les domainesessentiels de la nutrition, de la reproduction et des déplacements ou tactisme.

En conclusion, un barrage n'est pas en lui-même un élément actif de pollution. Ilpeut cependant, en piégeant le peloux et son cortège de nutriments être le révélateur dephénomènes dont il est souhaitable d'apprécier l'impact par des études appropriées tellesque :

- établissement d'un inventaire ou constat hydrobiologique de la rivière ;

i. recherche des indicateurs biotiques de pollution et le cas échéant des toxiqueséventuels par la technique de concentration le long des chaînes trophiques du typebenthique ou pelagique ;

- prédétermination de l'évolution de l'écosysteme projeté par modélisation numérique.Ce type de modèle, basé sur les lois d'évolution des processus biologiques et dela mécanique des fluides, semble très prometteur quoique délicat à mettre eno e u v r e .

Ces résultats, associés à ceux obtenus avec les modèles hydrauliques desédimentation, permettront d'agir sur la conception et l'exploitation du réservoir defaçon à en supprimer ou en atténuer les effets néfastes.

'A - Influence sur la bioscénose dans la retenue :

Les matières en suspension limitent l'activité chlorophylienne ; il en résulte doncune diminution de la production phytoplanctonique et par conséquent un appauvrissement dela chaîne trophique.

Dans la beine ou zone littorale irradiée par le rayonnement solaire les dépôtsconstituent un substrat qui sert de support à une végétation aquatique qui, dans la zonepeu profonde sera constituée de joncs, roseaux . . . et dans la zone plus profonde prendral'aspect de prairies d'algues dans la mesure, bien entendu, où les variations de niveau duplan d'eau et les conditions climatiques le permettront.

Cette végétation est d'autant plus vigoureuse que l'eutrophysation du lac, c'est-à-dire son enrichissement par les nutriments, sera plus prononcée.

La roselière, mais plus particulièrement la prairie sous-marine, constitue un abriexceptionnel pour le benthos donc contribue à la création d'un biotope favorable à lafaune piscicole.

Dans la zone sublittorale profonde, où la lumière ne pénètre quasiment plus, lavégétation disparaît et les dépôts s'accumulent progressivement en présentant généralementdes stratifications à caractères saisonniers.

Les matières organiques végétales et particulièrement la décomposition brutale decertaines algues et plantes peuvent entraîner un déficit en oxygène propice à l'apparitionde conditions anaérobiques.

8

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 20: Sedimentation Unesco

La minéralisation bactériologique des composés organiques, particulièrement intenseau niveau de l'interface eau - vase, cesse ; le fond est alors le siège de fermentationsputrides et devient pratiquement impropre à la vie.

Les dépôts, par ailleurs, colmatent les frayères, ce qui empêche la reproduction desespèces qui recherchent des bancs de graviers.

Le passage de l'état lotique à l'état lentique entraîne notamment, lorsqu'il y adistrophysation, une évolution profonde des communautés vivantes donc de la populationichtyologique, évolution qui pourra quelquefois être corrigée sur le plan de laproductivité et de la qualité par des aménagements et un alevinage approprié.

B - Influence sur la bioscénose en amont de la retenue :

Les effets des sédiments sur la partie amont des affluents du réservoir sontgénéralement limités.

L'exhaussement du lit des rivières vers l'amont à partir du delta d'engravement setraduit le plus souvent par des atterrissements de matériaux grossiers qui entraînent unedivagation de l'affluent et accroissent les zones propices à la fraie des poissons.Cependant, le colmatage par les vases de grandes surfaces de frayère dans la retenue etles éventuels marnages provoquent le plus souvent une migration des poissons,particulièrement des espèces anadromes, vers les tributaires ce qui entraîne unsurpeuplement temporaire de la partie basse de ces derniers.

Ce surpeuplement affecte le taux de reproduction en appauvrissant le milieunourrissier et en favorisant l'action des prédateurs.

C - Influence sur la bioscénose de l'émissaire :

Le réservoir accumule, quelles que soient les précautions prises, une partappréciable des produits de l'érosion et, par le jeu des phénomènes de concentrations, unepart relativement plus importante des nutriments.

Les conséquences pour l'émissaire sont fonction de l'exploitation de l'ouvrage.

Dans les conditions normales, c'est-à-dire, où les prélèvements s'effectuent par lesouvrages de prise d'eau, l'eau rejetée à l'aval est clarifiée et dépourvue, saufcirconstances particulières, d'éléments en suspension si ce n'est de sels en dissolution.

Il en résulte donc un appauvrissement de la biomasse du milieu récepteur, c'est-à-dire, une oligotrophysation de l'émissaire et le cas échéant de son estuaire. Cettesituation peut encore être aggravée par le détournement d'une partie des apports liquides.

Cette baisse de la biomasse se répercute sur la productivité piscicole, productivitéqui peut, cependant, dans des cas particuliers, être compensée par un alevinage adapté.

Lors des conditions d'exploitation exceptionnelles qui conduisent à ouvrir des vannesde fond pour‘ évacuer une crue, faire une chasse, vidanger, la situation est biendifférente. En effet, dans ce cas, on évacue à l'aval de forts débits par des ouvragesplacés à la base du barrage donc dans une zone sensible à l'envasement. Il y a alorsmobilisation des dépôts et restitution d'une eau dont la turbidité peut êtreparticulièrement élevée et de toutes manières généralement bien supérieure à la turbiditénaturelle.

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 21: Sedimentation Unesco

Les effets du flot boueux sur la bioscénose de l'émissaire dépendent alors de sanature physico-chimique et des conditions dans lesquelles s'effectue le rejet.

Lorsque la vase évacuée est constituée par un sédiment exempt-de substances toxiquesla pollution est dite d'ordre mécanique ; elle peut entraîner l'asphyxie des espèces depoissons les plus sensibles par obstruction des branchies et la destruction des oeufs parle colmatage des graviers. Il s'agit d'une pollution temporaire qui ne laisse pas engénéral de séquelles graves

Par contre, les vases putrides et chargées en substances nocives sont beaucoup plusmeurtrières pour le poisson car la pollution mécanique est aggravée par le dégagement degaz toxiques (principalement constitués d'hydrogène sulfuré) et l'action de substancestoxiques. Le benthos peut être décimé et il peut en résulter un déséquilibre durable.

Les conséquences de ces exploitations sont particulièrement graves lorsque le rejetest effectué sans tenir compte de la capacité de transport de l'émissaire, y compris lecas échéant, celui de l'estuaire. En effet, l'arrivée brutale de grandes quantités delimons à certaines époques peut, là aussi, avoir des conséquences néfastes sur le milieumarin.

Il faut insister pour terminer sur le fait que, quoi que l'on fasse, le rejet de vaseà l'aval d'un barrage est aussi inéluctable que l'érosion est inexorable.

La collectivité doit donc accepter un compromis qui visera à la préservation dupatrimoine économique qu'elle s'est donné et du patrimoine naturel dont elle a hérité.

Il faut donc, au niveau du projet, rechercher les méthodes d'exploitationacceptables, les moins nocives pour la vie du cours d'eau et, éventuellement, prendre encompte la charge de mesures compensatoires.

l-2 IMPACTS SUR LA SECURITE DE L'OUVRAGE

Les dépôts peuvent affecter la sécurité d'un barrage.

1-2-1 Influences dues à la diminution de la capacité de la retenue

Un des risques le plus important, en matière de sécurité, des ouvrages sujets à lasédimentation, est l'obstruction des conduits de vidange de fond par un amas de vaseconsolidé par un enchevêtrement de troncs d'arbres et de débris immergés.

L'obstruction peut être totale, or, il est essentiel qu'un ouvrage puisse êtrevidangé. Il faut donc, au niveau du projet, prendre les mesures pour que les corpsflottants soient évacués à l'aval par des vannes judicieusement disposées etdimensionnées.

Le choix de conduits rectilignes, de dimensions suffisantes, contrôlés par des vannesà passage intégral doit par ailleurs éliminer les risques d'obstructions.

Enfin, il est recommandé de déboiser dans toute la mesure du possible la cuvette.

10

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 22: Sedimentation Unesco

1-2-2 Influence sur la vantellerie

Lorsque la vitesse dans le conduit est élevée (< 40 m/s) on peut craindre, outre lesphénomènes classiques de cavitations et vibrations engendrés par l'écoulement, uneabrasion des structures, des blindages et des surfaces en béton, particulièrement auniveau du radier si les eaux sont chargées en éléments minéraux durs.

Les dégagements gazeux et particulièrement l'hydrogène sulfuré libérés par ladislocation puis la décompression des vases dans le conduit peuvent entraîner descorrosions sévères sur les structures métalliques de la vanne et sur les appareillagessitués dans le local des vannes.

l-2-3 Influence sur l'ouvrage

Les poussées dues aux dépôts doivent être prises en compte lors du calcul del'ouvrage.

Il est nécessaire, par ailleurs, de veiller à ce que les caractéristiques initialesde l'ouvrage ne soient altérées par une attaque des bétons. Les réactions chimiques ausein des dépôts et particulièrement celles liées au cycle du soufre, ainsi que lescaractéristiques d'agressivité de l'eau doivent être prises en compte dans le choix duciment, des techniques de bétonnage et éventuellement de l'épiderme de protection duparement.

1-24 Influence sur la surveillance de l'ouvrage

Les dépôts gênent la surveillance visuelle de l'ouvrage. Ils peuvent interdire lamise en oeuvre de moyens d'inspections subaquatiques tels que sous-marins, plongeurs. Ilscontrarient les inspections visuelles après vidange en masquant le parement amont et en yinterdisant l'accès depuis la cuvette.

l-3 IMPACTS ECONOMIQUES ET SOCIAUX

1-3-1 Influences dues à la diminution de la capacité de la retenue

L'influence de la sédimentation sur les activités socio-économiques dépend del'organisation des dépôts. Elle est d'autant plus complexe que l'ouvrage, du fait de sasituation et de son importance, satisfait de façon directe ou indirecte à des objectifsmultiples, dont la compatibilité n'est pas toujours vérifiée et dont les élémentsd'appréciation économique peuvent évoluer dans le temps, notamment lorsqu'apparaîssent dessituations de concurrence pour des usages de l'eau ne permettant pas d'alternative.

La sédimentation affecte la capacité, principal indice de valeur d'un réservoir. Ceciest particulièrement sensible dans les domaines de :

- la production d'énergie,- l'alimentation en eau humaine, agricole, industrielle,- la régularisation des apports,

mais la sédimentation affecte également la surface utilisable de la retenue en limitant letirant d'eau et en favorisant le développement d'une végétation palustre et aquatique quientraîne des répercussions dans les domaines :

- des activités de loisirs. des sports halieutiques et même cynégétiques,- de la lutte contre les incendies,- de la santé.

11

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 23: Sedimentation Unesco

A - Influence sur la production d'énergie :

Les usines hydroélectriques associées à des retenues importantes assurent ouassureront, du fait de leur souplesse de fonctionnement, les pointes de consommation. Leréservoir joue donc le rôle d'un accumulateur d'énergie d'autant plus efficace que sacapacité est grande. Par conséquent, toute diminution de cette dernière porte atteinte auxperformances de l'usine qui y est associée en diminuant la capacité en énergie et lapuissance maximale disponible durant les périodes les plus critiques de consommation, aumoment où les débits entrants sont insuffisants.

B - Influence sur l'agriculture et l'industrie :

Le cas d'un ouvrage à vocation agricole est beaucoup plus crucial car s'il existe desalternatives à la production d'énergie hydraulique, il n'en existe pas en matièred'irrigation. Les procédés d'irrigation les mieux adaptés épargnent la ressource mais yont toujours recours.

Les effets d'une irrigation bien conduite peuvent être spectaculaires sur laproductivité agricole mais plus que cela, sous certains climats l'amenée d'eau est lacondition nécessaire à la vie, pour ne pas dire à la survie.

Une perte de capacité peut donc conduire à des pénuries d'eau aux effetscatastrophiques puisqu'elles peuvent entraîner la perte de la récolte, fruit du labeurd'une année.

Il faut rappeler par ailleurs que le blocage du transport solide peut entraîner àl'aval de l'ouvrage une érosion du lit qui déchausse les ouvrage de prise d'eau enrivière; les prises ainsi "suspendues" ne peuvent plus assurer le captage des débits, cequi implique la réalisation d'ouvrages de réalimentation.

L'industrie, en ce qui la concerne, est un très gros consommateur d'eau, eau quientre en jeu dans les processus, ou bien est utilisée dans les auxiliaires principalementcomme source de refroidissement. Les conséquences d'une pénurie peuvent être aussi trèscouteuses mais ses effets seront plus fugaces.

La sédimentation peut avoir des effets indirects lors de certains modesd'exploitation, crues, chasses, vidanges.... qui entraînent une remobilisation dessédiments.

Il en résulte alors :

. des dépôts dans les canaux ou conduits d'alimentation en eau, si lesvitesses sont insuffisantes,

. l'obstruction des injecteurs d'irrigation par aspersion ou localisée,

. l'apparition de taches quasi-indélébiles sur les fruits qui sont ainsidépréciés,

. le colmatage des échangeurs thermiques dans l'industrie,

. d'une manière générale une perturbation du fonctionnement des stations detraitement des eaux urbaines ou industrielles notamment lorsque lessédiments sont chargés en matière organique ou en résidus toxiques.

12

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 24: Sedimentation Unesco

C - Influence sur la régularisation des apports :

La diminution de capacité de la retenue affecte là aussi; les possibilités derégularisation des apports du tributaire et peut altérer le rôle dévolu à l'ouvrage enmatière de soutien dés débits d'étirage dans un but de protection du système vivant,agricole, urbain ou industriel.

Il en est de même pour un ouvrage voué à l'écrêtement des crues dont la possibilitéd'emmagasinement est progressivement annihilée par l'envasement, ce qui a des effetsd'autant plus graves que les avalisants sa croyant protégés auront négligé de prendre lesprécautions qui autrement' se seraient imposées.

1-3-2; Influences, dues la diminution de la surface utilisable de la retenue

cette diminution intervient, d'une part, par la baisse des tirants d'eau sur la beinelittorale, d'autre part, par la colonisation végétale des hauts fonds.

A - Influence sur les activités nautiques et les loisirs :

Les phénomènes précités peuvent condamner l'accès aux ports de plaisance et limiterl'évolution des bateaux.

Pour ce qui est de la baignade la présence de vase peut rendre déplaisante les grêvespropices à la baignade.

Par contre, les activités halieutiques et cynégétiques sont généralement accrueslorsqu'il y a colonisation végétale, du fait de la création d'un abri favorable àl'avifaune et à la faune aquatique.

B - Influence sur la lutte contre l'incendie :

Les grandes retenues sont propices à l'écopage des hydravions utilisés dans certainspays pour la lutte contre les incendies. Une diminution sensible des surfaces libres selonles axes privilégiés d'amerrissage peut contrarier la mise en oeuvre des secours.

C - Influence sur la santé :

Le développement végétal qui constitue un abri pour la faune peut égalementconstituer un repère pour certains insectes dont les piqûres peuvent, à elles seuls,interdire la fréquentation des rives, qui, en outre, peuvent servir de vecteurs ainsi quecertains petits mollusques à des maladies très graves, telles que le malaria,l'onchocercose, la fièvre jaune..'.

13

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 25: Sedimentation Unesco

LES MECANISMES PHYSIQUES DE LA SEDIMENTATION

DANS UNE RETENUE

2-l INTRODUCTION

D'un point de vue géomorphologique, deux cas de figure se présentent pourl'aménagement ‘d'une retenue destinée au stockage ou à la rétention de l'eau : soit àpartir de lacs existants, soit par la bouchure totalement nouvelle d'une vallée dans unbassin fluvial. La morphologie de chaque retenue est déterminée par son état antérieur.Par ailleurs, la forme de la retenue, la circulation de l'eau, et les apports solides ontune grande influence sur la nature et la vitesse de l'alluvionnement de la retenue.

D'après HUTCHINSON (1957), il existe onze mécanismes principaux qui peuvententraîner la formation de lacs naturels, allant de l'érosion superficielle jusqu'àl'obstruction de l'écoulement par des obstacles tels que des glissements de terrain.Parmi les 76 types de lacs répertoriés, peu sont adaptés à un agrandissement artificiel,car beaucoup sont éphémères, extrêmement instables, ou ne reçoivent que peu d'apportsd'eau (par exemple : les lacs salés, les lacs fermés par des barrages de glace, ou leslacs de cratère). Les lacs susceptibles d'être aménagés en réservoirs sont principalementceux créés par l'action des rivières ou des glaciers, les lacs côtiers, ou encore deslacs apparus à l'occasion de glissements de terrain importants.

Une retenue créée par la surélévation d'un barrage naturel ou artificiel déjàexistant à l'exutoire d'un lac héritera de la circulation de l'eau, des apports solides,et de la morphologie de l'ancien lac.. Hais ces paramètres seront modifiés par les effetsphysiques consécutifs à l'impact lié à la submersion de nouvelles zones.

La morphologie des rivières subit une séquence de transformations prévisibles.Ainsi, à des vallées étroites, sinueuses et pentues, succèdent des vallées à pentesmodérées, plus ouvertes, avec des terrasses alluviales dans le lit majeur. Dans les casextrêmes, ces vallées peuvent devenir très plates et leur relief sera considérablementatténué. Une telle progression peut requérir des millions d'années pour se réaliser, et àl'intérieur d'un bassin les formes les plus "mûres" apparaîssent d'abord dans le coursinférieur, tandis que le haut relief de jeunesse est longtemps préservé dans le courssupérieur.

Ainsi, les sites offerts par une vallée en évolution pour la création éventuelled'une retenue sont variables dans le temps mais aussi dans l'espace. Des retenuesprofondes, étroites et sinueuses sont typiques des cours supérieurs et d'un relief"jeune" ; tandis que des retenues peu profondes et étendues se trouvent dans les coursinférieurs propres aux sites plus "mûrs".

La bouchure d'une rivière ou la surélévation de l'exutoire d'un lac naturelentraînent la submersion de zones ayant quasiment atteint un état d'équilibre. Certainescaractéristiques du terrain submergé exercent initialement une influence sur lacirculation de l'eau et les apports solides dans la zone submergée, mais cette influencediminue avec l'accroissement de la sédimentation. La présence de la retenue entraîne deshauteurs d'eau temporaires pour les rivières qui s'y jettent et qui deviennent propicesau dépôt de sédiments dans des zones d'eau relativement calme. Ces rivières subissent leseffets du remous qui se traduisent par l'envasement du lit en amont du réservoir etl'élargissement des zones inondables , et qui nuisent à la navigabilité du cours d'eau.

14

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 26: Sedimentation Unesco

En aval du barrage, l'émissaire transporte relativement peu de matériaux en suspension,et sans des lâchures contrôlées d'eau chargée, un creusement du lit de la rivière estprobable. Des matériaux fins sont prélevés sélectivement au fond du lit jusqu'à ce qu'unfond stable et "pavé" s'établisse et que le lit rectifie sa pente.

Les deux origines distinctes mentionnées ci-dessus créent deux types de retenuefondamentalement différents. Dans une retenue dans uns vallée noyée, le fond de laretenue s'abaisse de façon continue jusqu'au barrage, et les limites de la tranche mortedépendent de la configuration du barrage et des vannes de fond. Dans le-cas d'un lacnaturel aggrandi, certaines parties du fond présentent une contre-pente, et la tranchemorte peut comporter plusieurs dépressions importantes séparées du barrage..

Les deux formes de retenue sont sensibles aux principaux phénomènes physiques quiagissent sur la masse d'eau, tels que la formation des vagues sous l'effet du vent, lastratification thermique, les oscillations de niveau et la diffusion des sédimentsapportés par la rivière (Sly 1976). Cependant, les écoulements d'eau turbide peuventprendre des allures très différentes. Lorsque la retenue est une vallée noyée, desécou1ements à forte densité peuvent s'étendre sur tout' le fond de la retenue, venantdéposer des matériaux contre le barrage (Gould 1960, Lara et Sanders 1970) ; tandis quedans le cas d'un ancien lac agrandi, de tels écoulements peuvent pénétrer dans ladépression principale ou une dépression secondaire et les matériaux solides qu'ilstransportent sont retenus dans des parties de la tranche morte éloignées du barrage.

2-2 NATURE DES APPORTS SOLIDES

Le débit d'apport dans une retenue est largement 'déterminé par les conditionsclimatiques mais les facteurs tels que le relief, la végétation, l'activité agricole etla géologie du site jouent également un rôle important. Le débit varie en fonction desprécipitations sur le bassin versant ou de la fonte nivale. Il arrive que des valeursextrêmes d'étiage et de crue se succèdent en quelques jours, voire quelques heures.Néanmoins, le débit se conforme à un schéma général de variation saisonnière, que ce soitdans des régions tempérées, tropicales ou polaires.

Les cailloux et le sable grossier roulent ou glissent sur le fond du lit ou sontentraînés dans l'écoulement par saltation. alors que le limon, l'argile et le sable finsont dispersés dans la masse d'eau, maintenus en suspension par la turbulence naturelle.Lors des crues, les forts écoulements entraînent le charriage des matériaux grossiers,mais lors des faibles débits, ils restent immobiles, et seuls les matériaux fins sedéplacent sur le fond. Il existé en chaque point une limite en-dessous de laquelle aucunmatériau n'est charrie sur le fond et les solides sont transportés uniquement parsuspension.

Le calcul du débit solide constitue depuis longtemps un défi pour les ingénieurshydrauliques, qui ont élaboré une panoplie complexe de méthodes et de formules pourfaciliter ce calcul (Graf 1971, Yalin 1972, Bogardi 1974, Vanoni 1975). Les paramètresauxquels le débit solide a pu être relevé sont : la pente du lit, la contraintetangentielle, le débit liquide,, la vitesse, le degré de. turbulence, la température del'eau, la taille des particules et les caractéristiques du lit. Il, n'existe aucuneformule universelle qui prend en compte tous ces paramètres. Néanmoins, toutes lesméthodes montrent que lorsque le dêbit en un point donné diminue, la force tractrice del'eau diminue aussi ; et quand la force tractrice diminue, les matériaux solides sedéposent et la configuration du lit devient moins favorable à l'écoulement, ce qui tend àréduire encore plus la vitesse et la capacité de transport.

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 27: Sedimentation Unesco

Les limons fins et les argiles sont maintenus dans la masse de l'eau qui s'écoulevers la retenue. Ces matériaux fins présentent de faibles vitesses de décantation, etsont maintenus en suspension par les mouvements turbulents. Alors que les matériauxgrossiers ne se déplacent que si la vitesse du courant ou la force tractrice dépassentune valeur minimale en chaque point, les matériaux fins quant à eux se déplacent tant quel'eau est en mouvement. La concentration de matériaux en suspension dépend des variationsde débit. Les valeurs de concentration réellement observées dépendent de l'intensité desprécipitations et de la sensibilité du sol à l'érosion. Dans les zones sèches, les longsintervalles entre les épisodes pluvieux entraînent le développement de coulées de boue,mais de très fortes concentrations (> 200 g/l) peuvent également être observées dans deszones plus humides ; dans le bassin du Fleuve Jaune on a relevé des écoulements contenant1600 g/l. En règle générale, plus la rivière est capricieuse, plus la concentration desolides en suspension sera élevée.

Les valeurs maximales pour le débit liquide et pour la turbidité sont concomitantesdans les zones semi-arides en haute altitude, mais 'sont souvent déphasées dans desclimats plus humides. Dans certains bassins, le maximum de turbidité précède le maximumde débit en début d'hiver (Miller et Piest 1960) mais subit ensuite un retard progressifet finit par suivre loin derrière les débits maximaux à la fin du printemps et au débutde l'été (Walling et Gregory 1970. Culbertson et al. 1972).

Tandis que la pointe de débit s'écoule dans le bassin à la vitesse d'une vague, lapointe de turbidité se déplace plus lentement dans le courant, si bien que le décalagedans le temps des deux maxima varie avec le bassin versant (figure 2-l). Ainsi, les plusgrands débits solides peuvent entrer dans une retenue parfois un peu avant, parfois enmême temps, et parfois après le débit liquide maximum. Pour les retenues aménagées sur lecours inférieur, la pointe de turbidité survient normalement après le débit maximum, maispour les retenues situées dans le haut bassin, c'est la pointe de turbidité qui arrive lapremière;

Le calibre des matériaux en suspension et des matériaux charriés dans une rivièrevarie selon les saisons car les matériaux sont mis en mouvement du fait des contraintestangentielles exercées par l'écoulement. Les forts débits entraînent davantage de sableque les faibles débits (Herb 1980) (figure 2-2).

Les matériaux dissous arrivent directement dans la retenue avec l'eau et nedépendent ni de la vitesse du courant ni de la turbulence. Les quantités les plusimportantes transitent avec les débits maxima, bien que les concentrations soient le plusfortes lors des faibles débits. La concentration des matériaux dissous dépend beaucoup duclimat. Elle est la plus élevée en terrain sec, mais peut dépasser 50 mg/l dans lesclimats tempérés. Dans la plupart des rivières, cette concentration augmente ens'approchant de la mer (Langbein et Dawdy 1964, Loughran 1975).

Les problèmes de transport solide ne sont pas uniformes dans le monde, car lavitesse de l'érosion dépend non seulement des effets combinés du relief, du climat et dela végétation, mais également de l'activité humaine. En conséquence, les problèmes desédimentation dans les lacs et les retenues varient beaucoup d'un continent à l'autre.

Tandis que Holeman (1966) a suggéré que 80 % des apports solides entrant dansl'ensemble des océans provenaient des rivières d'ASIE, Fournier (1960) s'est basé sur lesprécipitations et le relief pour affirmer que la plus grande masse de sédiments vient deszones subéquatoriales davantage que des zones équatoriales ou des zones arides.Cependant, Fleming (1969) est arrivé à des conclusions nettement différentes. Il aanalysé la- production de sédiments en fonction de la végétation, et a démontré que lesquantités maximales provenaient du désert ou des zones à faible végétation et lesquantités minimales des zones où la végétation est constituée de feuilles et de

16

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 28: Sedimentation Unesco

conifères. Par conséquent, ce sont les retenues implantées dans des zones arides ousemi-arides qui risquent le plus de subir de graves problèmes d'envasement, celles deszones tempérées étant moins susceptibles de connaître ces difficultés.

La plupart des sédiments se déposant dans les retenues sont constitués de matièresnon-organiques. Cependant, dans beaucoup de lacs peu profonds implantés dans des régionsau relief peu accidenté et sur des rivières à faible capacité de transport, lespopulations indigènes de phytoplanctons peuvent constituer une part importante dematières solides. Ces populations augmentent et diminuent selon les saisons, et desespèces variées se développent à des moments différents de l'année. Dans certains lacs etcertaines retenues peu profondes, la productivité, définie en fonction du carbone produitsous forme organique, est considérable. La silice biogénique provenant des squelettes dediatomées est également une composante importante ce système. Localement, lescontributions organiques, sont donc très significatives et ne doivent pas être négligées.Cependant, ce rapport ne traitera pas de l'impact de ces contributions plus en détail.

2-3 LES EFFETS MORPHOLOGIQUES DE LA CREATION D'UNE RETENUE

Dans un lit de rivière stable, l'érosion, le transport et le dépôt de sédiments sonten équilibre. La construction d'un barrage rompt cet état d'équilibre en élevant leniveau de base d'érosion des cours d'eau situés en amont du réservoir. La réactionimmédiate du système à cette anomalie est le dép& de matériaux à l'intérieur de laretenue afin de rétablir le profil d'équilibre de la rivière. De même, la rivière réagitaux nouvelles conditions à l'aval du barrage. La nature de cette réaction peut êtreanticipée à l'aide des principes généraux énoncés par Lane (1954), qui a suggéré qu'ilexiste un équilibre entre les apports. solides et la grosseur des matériaux, d'une part,et d'autre part, entre les effets dynamiques représentés par la pente du lit et le débitliquide (figure 2-3). A long terme, la retenue atteindra un état d'envasement avancé,bien qu'une bonne gestion puisse retarder l'envasement total. Des variations de lacapacité de la retenue, l'engravement du lit à l'amont et l'affouillement à l'aval sontautant de problèmes directement liés à la construction d'un barrage, qui se manifestenttout au cours de la vie de l'ouvrage.

17

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 29: Sedimentation Unesco

18

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 30: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 31: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 32: Sedimentation Unesco

2-3-l Engravement à l'amont de la retenue

L'eau dans une retenue circule relativement lentement, et gêne-l'écoulement de l'eaude la rivière entrante. Un remous se produit et la baisse de vitesse qui en résulteentraîne une diminution de la capacité de transport de la rivière. Le niveau atteint parle remous dépend en partie du niveau d'eau dans la retenue (puisque celui-ci définit labase d'érosion locale), mais aussi en partie du débit,.

Quand le niveau d'eau est bas, la rivière s'accélère en entrant dans la retenue etle courant ainsi activé érode le lit, emportant les matériaux solides plus loin dans laretenue où ils se redéposeront. De forts débits associés à des niveaux de retenue peuélevés peuvent entraîner un affouillement considérable à l'entrée de la retenue.

Si les faibles débits entraînent un remous peu important, en période de crue, parcontre, le remous peut s'étendre sur plusieurs kilomètres à l'amont de la retenue. Ledépôt des matériaux charriés dans les zones où le courant est ralenti entraîne uneélévation du fond du lit. Cela augmente le risque d'inondation des terrains quiavoisinent la rivière. Les terres agricoles dans le lit majeur peuvent être condamnées dufait qu'elles sont plus souvent inondées par les crues,' mais aussi à cause de lasaturation liée à l'élévation de la nappe phréatique. La sédimentation permet de colmaterle lit majeur par un apport de dépôts nouveaux.

Le dépôt de matériaux peut entraîner la formation de haut-fonds, ce qui représenteun danger croissant et souvent imprévisible pour la navigation. Les endroits peu profondsde la rivière sont les premiers remplis pendant le changement progressif du régime de larivière.

Bien que certains matériaux se déposent à l'amont de la retenue.. d'autres sontamenés jusqu'à la retenue, où se produit un ralentissement brusque de l'écoulement. Lesmatériaux grossiers sont déposés presque immédiatement, tandis que les plus fins sontportés plus loin dans la retenue. Le dépôt qui en résulte s'accumule autour del'embouchure de la rivière, créant un delta dont la surface peut s'étendre jusqu'aux plushautes eaux. La surface émergée du delta peut se couvrir de roseaux, de broussailles oud'arbustes. Quand des chenaux se forment entre des levées à l'entrée de la retenue, deszones d'eau calme s'établissent dans lesquelles le développement de la végétation empêchela circulation de l'eau.

La surface du delta peut être constituée de rochers, de cailloux ou de sablegrossier, selon la nature des matériaux apportés. Le remaniement des sédiments par lesvagues en période de hautes eaux peut entraîner un regroupement des matériaux grossiers.Les formes des deltas varient beaucoup. Ils présentent une structure anastomosée quand ils'agit de matériaux grossiers (Worsley et Dennison 1973). Quand l'activité des vagues estimportante, les bancs et les barres séparant les bras de l'embouchure sont remaniés et lasurface du delta devient lisse.

Les affluents qui se jettent directement dans la retenue créent aussi des deltas,qui non seulement gênent la circulation de l'eau, mais peuvent ultérieurement avancerdans le plan d'eau par des zones d'envasement rapide.

Les mécanismes de sédimentation sont tels que les pentes des deltas sont proches del'angle naturel de repos des matériaux accumulés. Ainsi, des pentes qui sont raides prèsdu rivage deviennent progressivement plus douces en s'éloignant.

La vitesse de l'avance deltaïque dans les lacs et les retenues a été estimée pour lelac Mead à 3000 m entre 1939 à 1948 (Sundborg 1964), pour le delta du Terek dans la merCaspienne à 300 m par an (Holmes 1955) tandis que la rivière Lillooet en Colombie

21

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 33: Sedimentation Unesco

britannique progresse à une vitesse moyenne de 10 m par an (Gilbert 1975). La vitesse decette progression dépend non seulement du débit et des caractéristiques du bassinversant, mais aussi de la géométrie du bassin récepteur.

2-3-2 Erosion à l'aval de la retenue

La masse d'eau relativement calme stockée dans une retenue fournit des conditionsidéales pour la déposition de sédiments de toutes grosseurs. Les concentrations enmatières en suspension sont fortement réduites et le charriage est en généralcomplètement éliminé. Par conséquent, toute eau déversée ou évacuée par les vannes desurface est relativement claire. L'évacuation d'eaux turbulentes et claires, qui ont unpotentiel de transport solide non-utilisé, favorise le prélèvement des matériauxdisponibles dans le lit. Puisque les matériaux fins sont les premiers à être emportés, ilse produit en surface une concentration des matériaux grossiers par rapport aux matériauxfins. Le lit subit ainsi un phénomène de pavage et présente un état d'équilibre à plusforte granulométrie. Les portions du lit situées à l'aval d'une telle zone d'équilibresont à leur tour remaniées, si bien que le processus se déplace dans le temps. Lephénomène de pavage, bien connu en hydraulique fluviale (Gessler 1965), a été analysédans le cas des débits évacués à l'aval des retenues sur le Nil (Hammad 1972). On a prévuque le résultat définitif du creusement à l'aval du barrage supérieur d'Assouan serait unlit ondulé et "pavé", comme celui observé sur la rivière Colorado à l'aval des barragesHoover, Parker et Impérial (Brooks 1956). Hammad a émis l'hypothèse que le pavage seproduit normalement avant un changement de pente appréciable, si les matériaux appropriéssont présents.

La stabilité des lits graveleux dépend principalement de l'action de la rivière àl'aval du barrage. Mais en général, les affouillements et les modifications de la penteont peu d'impact sur les rivières à lits graveleux. Par contre, leur rôle est beaucoupplus important dans les fonds sablonneux, où l'érosion et le renivellement peuvent durerlongtemps.

Quand des lâchures d'eau chargée en sédiments sont effectuées périodiquement dans lebut de maintenir la capacité totale de la retenue, l'effluent a une masse volumique plusélevée que les eaux habituellement évacuées, ce qui entraîne un affouillementsupplémentaire et des changements de la pente. Ainsi, quand on applique un programme dechasse systématique, la stabilité du lit à l'aval du barrage ne s'établit pasimmédiatement. Il faut une surveillance attentive du lit de la rivière, et il peutdevenir nécessaire de mettre en place des protections supplémentaires, de façon que lepied aval du barrage ne soit pas attaqué par l'érosion régressive liée aux changements depente.

2-4 MOUVEMENT DES MATERIAUX SOLIDES DANS UNE RETENUE

Le comportement des matériaux solides dans un lac ou une retenue dépend des diversesformes de la 'circulation des eaux, qui déterminent les zones de creusement et deremblaiement. Les forces dynamiques et les mécanismes concernés sont nombreux et variés,'et peuvent avoir des interactions. L'étude de la sédimentation dans une retenue nécessitedonc l'analyse de nombreux phénomènes.

Il existe trois sources naturelles d'énergie qui contrôlent les phénomènes physiquesdans une masse d'eau, à savoir le vent, l'écoulement de la rivière et l'échauffementsolaire (Tableau 2.1).

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 34: Sedimentation Unesco

Tableau 2.1 : Phénomènes physiques ayant une influence sur le transport des matériauxsolides dans les retenues et les petits lacs (d'après Sly 1978).

T-1

I

Agent naturel Vent Echauffement solaire Ecoulement

Paramètres Orientation latitude débitcaractéristiques taille, profon- altitude concentration des

deur et forme matériaux solidesdu bassin topographie locale forme de la

retenuetopographie locale profondeur d'eau température dedurée l'eau

force de coriolisforce de coriolis

Effets formation de vagues stratification

courants mélanges

jaillissement retournement

lames d'eau couverture decotières glaceseiches vagues internes

diffusion desédimentscourants dedensitéformation dedeltas

L'activité de ces trois sources d'énergie est déterminée par le 'climat local, etleur impact est plus ou moins important d'un site à l'autre. Les marées et les seichesliées aux variations de pression atmosphérique se font sentir uniquement sur des plansd'eau beaucoup plus grands que la plupart des retenues.

2-4-l Effets du vent

Quand le vent souffle sur une retenue, il exerce une contrainte tangentielle surla surface de l'eau, et le transfert de quantité de mouvement qui en résulte faitbouger l'eau de la surface dans la direction du vent. Il se crée alors des vagues, descourants de surface et des contre-courants ainsi que des courants de Langmuir.

Les vagues créées par le vent suivent un mouvement oscillatoire dans lequel lahauteur (H), la longueur d'onde (h 1 et la vitesse du mouvement (C) sont bien définies.Ces caractéristiques sont le résultat de l'énergie fournie par le vent, énergie liée àla vitesse, à la durée et au Fetch (la distance continue sur laquelle souffle le vent).L'énergie produite, et donc la hauteur des vagues, augmente avec chacun de cesfacteurs. La profondeur de la retenue exerce aussi une influence. Dans certainesretenues suffisamment profondes, il se forme des vagues pour lesquelles :

23

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 35: Sedimentation Unesco

où 6: représente la vitesse de la vague,h la longueur de la vague et d la profondeur del'eau. Les particules d'eau suivent des trajectoires orbitales dans lesquelles lavitesse tangentielle 'k H/A peut atteindre plus d'un mètre/seconde. Quand ellesatteignent des eaux peu profondes, les vagues deviennent isolées et lorsque laprofondeur tombe à la moitié de la longueur d'onde, tanh Phd/h s'approche de 2?@/h,et l'on peut écrire :

C* = gd.

Des courbes théoriques relatives à la formation des vagues dans les eaux profondeset peu profondes (figures 2.4 et 2.5) ont été tracées par Bretschneider (1965) et parThe Coastal Engineering Research Center (1976).

Quand des vagues arrivent en eau peu profonde, la composante horizontale de leurmouvement se conserve, tandis que la composante verticale diminue jusqu'à ce que lestrajectoires déformées ne se referment plus, si bien qu'un mouvement de l'eau en massese produit.

24

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 36: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 37: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 38: Sedimentation Unesco

La crête de la vague déferlante dissipe son énergie en s'approchant du bord,entraînant des matériaux solides dans son mouvement de va-et-vient entre le large et larive. Le flux d'énergie vers la rive n'a jamais pu être déterminé, quoique l'énergiemoyenne de la vague(1952) à 1/8 pg IL2

par unité de surface d'eau ait été estimée par Longuet-Higgins(pour la racine carrée moyenne de la hauteur de la vague).

Les courants oscillatoires des vagues font que les matériaux déposés sontfréquemment remaniés dans des eaux de profondeur inférieure à la moitié de la longueurde la vague. Les matériaux fins peuvent retourner en suspension, tandis que le sablereste au fond et forme des rides.

Quand une vague traverse une eau de profondeur variée, les parties en eau profondeavancent plus vite que celles en eau peu profonde, et la ligne de crête de la vagues'incurve . Le mouvement vers un promontoire constitue un cas idéal de cette réfractiondes vagues, les vagues réfractées balayant tout le pourtour des Iles. De même, lesvagues qui traversent une retenue ralentissent en s'approchant du bord, si bien quel'énergie de la vague ne se dissipe pas de plein fouet sur la rive, mais plutôt defaçon oblique. Les matériaux des berges se déplacent donc d'une façon oblique avec leclapotement, mais retombent dans la pente par gravité. si bien. qu'ils avancent selonune trajectoire irrégulière et presque cycloïdale. Les courants provoqués le long desrives par la réfraction des vagues dépendent de la hauteur, de la périodicité et del'angle d'approche de la vague, ainsi que de la pente de la berge, et ils transportentdes matériaux en suspension le long de la rive, mais à une certaine distance du bord.Ces deux modes de transport solide le long des rives font que les sables et lesgraviers fins s'accumulent au débouché des petits talwegs (Hands 1970 ; Rukavina 1970 ;Hakanson 1977 : Csanady 1978): Les matériaux plus fins peuvent migrer au large où ilsse décantent pour former un dépôt "pélagique" (Fricbergs 1970).

La plus grande partie de l'énergie des vagues se dissipe sur les berges de laretenue, avec comme résultat l'érosion des matériaux non consolidés., ce qui entraîne laformation de falaises bordières. Les matériaux fins sont emportés en suspension loindes bords, tandis que les matériaux grossiers restent sur place pour former un systèmede banquettes d'érosion et de talus près de la surface de l'eau. Le bord extérieur desberges devient raide, et l'on peut observer une succession de marches qui sont autantde plages apparues lors des abaissements du plan d'eau. En général, des niveaux d'eaustables s'accompagnent de rives plates et étendues.

Les affouillements ne concernent pas que les rives, car la composante verticaledes vagues peut soulever des matériaux fins du lit à tout moment lorsqu'elles passentsur des haut-fonds. Du fait de l'entraînement sélectif des matériaux du bord par lesvagues, les zones littorales sont constituées de matériaux grossiers, et les matériauxfins dominent dans les zones plus profondes. Le comportement des zones littorales deslacs est mal connu et n'a reçu que peu d'attention en dehors des Grands Lacs del'Amérique du Nord (Fox et Davis 1970, 1976).

La contrainte tangentielle exercée par le vent met aussi en mouvement les eauxsuperficielles de la retenue. La mobilité de cette eau de surface est souvent Elevée,et l'on constate fréquemment des courants d'une vitesse atteignant 1 à 3 % de celle duvent (Bengtsson 1978 ; Haines et Bryson 1961). Le courant superficiel peut transporterdes volumes d'eau considérables sur l'ensemble de la retenue, et des contre-courantss'établissent en profondeur qui ramènent l'eau en sens inverse du vent. Dans desretenues de faible profondeur, ces courants de retour se développent près des berges.Ces courants de fond évoluent à des vitesses nettement inférieures à celles du courantsuperficiel, en général avec un ordre de grandeur en moins (3 cm/s contre 30 cm/s). Detels courants peuvent suffire pour transporter des matériaux solides en décantationvers le côté de la retenue qui est au vent, où une sédimentation accrue se produira.

27

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 39: Sedimentation Unesco

Les courants superficiels, comme tout fluide en mouvement,forces déviatrices géostrophiques de Coriolis.

sont assujettis auxIl en résulte que dans l'hémisphère nord

les courants sont défléchis vers leur droite, et dans l'hémisphère sud vers leurgauche. Une déviation du courant de 20° par rapport au vent n'est pas rare. Sur le lacWindermere, en ANGLETERRE, George (1981) a constaté des déviations de 4° à 38°, lesplus grandes se produisant pour des faibles vitesses du vent.courants subissent une déviation plus grande encore, ce qui donne lieu à un effet ditde "la spirale d'Ekman" (Rossby et Montgomery 1935). La rotation du courant enprofondeur a été relevée dans le lac Mendota, U.S.A. (Shulman et Brysan 1961), dans leslacs Velen et Möckeln, en SUEDE (Bengtssan 1978) et dans la retenue du Loch Earn, enECOSSE (Duck 1982). Du fait de leur déviation angulaire par rapport au vent lescourants peuvent venir du large ou s'éloigner du bord, bien que le vent soit, lui,parallèle aux rives. Dans des retenues telles que le Loch Earn, de direction d'Est-Ouest, des migrations de matériaux an suspension de la rive Nord vers la rive Sud est àprévoir, car les vents dominants viennent de l'ouest.

Le passage du vent sur une eau calme crée souvent des vortex à axes horizontauxparallèles au vent, tournant alternativement dans le sens des aiguilles d'une montre eten sens inverse. Cela se manifesta par un aspect strié de la surface. Les courantsassociés à ce phénomène se déplacent vers des zones de convergence, atteignant jusqu'à30 % de la vitesse des courants superficiels créés par le vent (9 cm/s pour 30 cm/s)(Ottesen Hansen 1978). Ces circulations de Langmuir sont confinés dans l'épilimnionlorsque les eaux sont stratifiées, mais peuvent atteindre le fond de la retenue dansdes conditions isothermiques. Les vortex créent un effet de balayage qui conduit à laformation de petites bandes de sédiments.

L'action prolongée du vent sur une retenue produit un basculement de surface telque le niveau est exhaussé dans la partie sous le vent. Si le vent cesse brutalement,cet exhaussement disparaît et un mouvement oscillatoire apparaît, dont la périodicitéet l'amplitude dépendent de la géométrie de la retenue. Des oscillations similairesapparaissent aussi à l'occasion de variations rapides de la pression atmosphérique.Toutes ces oscillations se traduisent par la formation de seiches qui font entrer laretenue en résonance, créant de faibles courants capables de transporter des matériauxen suspension. Toutes les retenues résonnent. Chacune comporte un nombrecaractéristique de noeuds et des axes vibratoires géométriquement définis si bien queles courants induits par les seiches (1 à 4 cm/s) sont souvent complexes. Certainspeuvent transporter des petites quantités de sédiments à des sites observables,, maisdans la plupart des retenues ces mécanismes sont occultés par les effets des autresfacteurs.

24-2 Echauffement solaire

La chaleur apportée à la surface de l'eau a pour résultat un effet climatique quel'on peut observer le plus facilement dans les retenues et les lacs situés dans lesrégions tempérées.

Au printemps, l'eau est pratiquement isotherme: avec des températures un peusupérieures à 4° C du fond jusqu'à la surface. Au cours de l'été, les eaux de surfacesont réchauffées par les rayons solaires,. et bien que la circulation du vent entraîneun certain transfert de chaleur vers le fond, 'les eaux supérieures voient leur densitédiminuer progressivement avec la hausse de température. A la fin, le mélange profond etla transmission de chaleur ne se font plus et une zone supérieure d'eau relativementchaude et de faible densité,

plus dense,l'épilimnion se forme au-dessus d'une zone d'eau plus

froide et l'hypolimnion, qui occupe le fond du' lac. Entre

28

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 40: Sedimentation Unesco

ces deux masses d'eau, au sein desquelles s'établissent des systèmes de circulationindépendants, se trouve une pycnocline, ou zone à gradient de densité, qui coïncidenormalement avec une thermocline, où1° C/m (Kindle 1927).

les gradients de température peuvent dépasser

A la fin de l'été, la perte' de chaleur des eaux bien mélangées de l'épilimnionfait baisser leur température au profit de celle de l'hypolimnion. La thermoclinen'existe, plus, les différences de densité disparaissent, et les deux masses d'eauredeviennent une masse unique en mouvement. Comme le refroidissement se poursuit, latempérature en surface tombe à 4° C, température à laquelle la densité de l'eau estmaximale. Ensuite l'eau de surface descend et il se produit un échange entre les eauxdu fond et celles de la surface. Ce retournement amène en surface de l'eau du fondextrêmement chargée en matériaux solides, provoquant une forte turbidité, ce qui posedes problèmes de clarification dans le cas où la retenue est destinée à fournir del'eau potable.

Une thermocline inversée se développe quand la stratification réapparaît, avec del'eau froide à la surface et à 4° C en profondeur. Puisque la différence de densitéentre l'épilimnion et l'hypolimnion est faible, une circulation créée par des ventsforts peut rompre la stratification, qui se rétablit en situation calme (Ragotskie1978). Bien que l'eau puisse geler en surface,jusqu'au réchauffement du printemps,

la structure thermique reste stablequi porte la température de l'épilimnion à 4° C.

La libre interaction des eaux se rétablit alors et le cycle de stratification thermiquerecommence.

Tandis que les retenues en zones tempérées subissent des périodes de mélange deuxfois par an (retenues dimictiques) celles des hautes latitudes ou altitudes peuvent nepas se réchauffer au-dessus de 4° C, et ne subissent qu'une période de mélange par an(retenues monomictiques). Sous basse latitude, la température ne descend jamais jusqu'à4° c, et il peut là aussi n'exister qu'une seule période annuelle de mélange. Des lacstropicaux profonds présentent une stratification permanente dans laquelle la pycnoclineest contrôlée par les variations de concentration en matériaux dissous (Yuretich 1979).

La pycnocline constitue une surface physique entre deux fluides qui circulentindépendamment, et à la fois des vagues et des seiches peuvent se développer le long decette interface. Ces seiches internes peuvent donner naissance à des courants plusrapides que ceux créés par les seiches en surface, susceptibles de transporter desmatériaux en suspension le long de la pycnocline.

Le régime thermique contrôle donc le mouvement des masses d'eau, l'oxygénation del'eau, et l'environnement chimique dans lequel vivent les organismes et se déposent lesmatériaux pélagiques.

2-l-3 Contribution de la rivière

Quand une rivière entre dans une retenue, elle transporte trois sortes dematériaux : les matériaux charriés, les matériaux en suspension et les matériauxdissous. L'abondance et la concentration de ces trois catégories varient durantl'année, de même que la taille des matériaux transportés. Les matériaux en suspensionconstituent normalement 90 à 95 % de la totalité des matériaux transportés (Parker etalia 1964). Ils sont transportés par la force vive de la rivière, et, outre la quantitéde matériaux dissous et la température de l'eau, c'est leur concentration qui déterminela densité de l'eau entrant dans la retenue.

Le chemin adopté par la rivière entrante chargée de matériaux solides est fonctiondu régime de densité de la retenue. En été, quand la retenue est stratifiée, l'eau

29

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 41: Sedimentation Unesco

tiède de la rivière entrante peut' avoir une densité plus faible que celle del'épilimnion, et elle s'écoule alors en restant en surface (écoulement superficiel).Plus fréquemment, la densité de l'eau de la rivière se situe entre celle del'épilimnion et celle de l'hypolimnion et un écoulement intermédiaire se produit auniveau de la thermocline. Des apports d'eau plus froide que celle de la retenue. ouparticulièrement chargée en matériaux solides, ont une densité élevée et donnent lieu àun écoulement sur le fond de la retenue dit écoulement de turbidité (figure 2.6).

Vase de fond et matériaux solides

Figure 2.6 : Mécanismes de distribution et les types de sédiments associés proposéspour la sédimentation clastique dans une retenue dipotrophique avec unestratification thermique annuelle.

Les écoulements superficiels et intermédiaires entrent dans la retenue d'une façonlinéaire, mais les eaux chargées en sédiments sont largement dispersées à ces niveauxpar le vent. L'écoulement superficiel apparaît sous forme d'un panache décoloré. Pourles écoulements intermédiaires et les écoulements de turbidité, on constate de brusqueschangements de couleur autour du point où la masse d'eau s'enfonce sous les eauxsuperficielles.

Les matériaux fins peuvent, soit rester en suspension dans les eaux supérieures,soit rester au niveau de la pycnocline qui peut admettre des concentrations importantessans que la densité des. eaux supérieures soit modifiée d'une façon significative(Matthews 1956; Sturm et Matter. p. 162 - tableau 2.2).

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 42: Sedimentation Unesco

Tableau 2.2 : Variations de la densité en fonction de la température de l'eau etde la concentration en matières en suspension dans le lac Brienz et larivière qui l'alimente, l'Aare. Mesures effectuées-en période de crues(d'après Sturm et Matter 1978).

Les matériaux retenus au niveau de la thermocline (Nydegger 1967) circulent avecles eaux supérieures et sont dispersés partout dans la retenue. Des écoulementsintermédiaires dans le lac Constance ont pu être suivis sur 20 km le long de la rivedroite (Auerbach 1939), ce qui démontre probablement l'influence de la déviation deCoriolis (Hamblin et Carmack 1978 ; Wirght et Nydegger 1980). Des courantspréférentiels peuvent parfois concentrer les sédiments intermédiaires selon destrajectoires bien définis (Sturm 1976).

Quand les conditions isothermes se rétablissent, les matériaux fins se décantentet couvrent entièrement le fond de la retenue. Cette couche bien définie de matériaux"pélagiques" peut contribuer à la formation d'une structure lamifiée ou "àvarves"($ strem 1975 ; Gustavson 1975). Sous les hautes latitudes et en altitude enhiver, la glace présente en surface gêne la circulation dûe au vent, et la diminutiongénérale des courants permet la décantation des matériaux en suspension. Pour cetteraison, on a souvent lié ces couches de sédiments "à varves" aux cycles annuels dedéposition, mais leur origine ne se limite pas seulement à ce phénomène.

Quand il y a absence de thermocline, des couches homogènes de matériaux solidess'accumulent grâce à une sédimentation pélagique continue. C'est le cas dans denombreux lacs tropicaux (Ashley 1975).

L'existence des courants de fond ou de turbidité dépend fortement de la nature dutransport de la rivière entrante. Quand une rivière est extrêmement chargée enmatériaux en suspension, par exemple lors de la première crue d'une saison, le panached'eau entrant plonge le long de la pente deltaïque vers le fond de la retenue ; (Gould1960 a, b ; Lara et Sanders 1970 ; Gilbert 1975 : Lambert et alia 1976 ; Zhang 1976 ;Fan 1981). Normalement, ce courant de fond dévale dans des chenaux pré-existants bienmarqués sur la face externe du delta , et ne déborde des cavaliers marginaux que tout enbas (Sturm et Matter 1978). L'apparition de ces courants de fond est

31

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 43: Sedimentation Unesco

souvent liée à des périodes de crue.' Selon l'endroit, elle peut revenir plusieurs foisdans une même année, ou se limiter uniquement à des épisodes hydrologiques majeurs, parexemple aux crues de période de retour 25 ou 40 ans.

Les courants de densité pénètrent en-dessous de l'eau claire de la retenue quandla concentration de matériaux en suspension dépasse un certain seuil de densité. Celase produit quand la valeur du nombre de Froude descend à 0.6, cette valeur diminuantquand la concentration augmente (Fd = V2 /+$ gh). Dans le lac Mead, les courants dedensité arrivant au barrage avaient une densité de 1.006 à 1.02 (Gould 1960) ; tandisque dans la retenue de Sanmenxia des densités de 1.061 ont été relevées dans cescourants.

Dans la retenue' de Sanmenxia, située sur le cours moyen du Fleuve Jaune en CHINE,Fan (1981, Figures '2.2 et 2.3) a mis en évidence la nature instable descaractéristiques hydrauliques des courants de densité, telles que la vitesse et laprofondeur, ainsi que la concentration et la taille des matériaux en suspension, pourdes écoulements observés pendant des périodes de 8 heures (Figure 2.7). Il a soulignéle fait, que pendant l'envasement initial, les écoulements étaient confinés au fond dulit, mais qu'une fois le lit rempli de matériaux, ces écoulements étaient susceptiblesde s'avancer sur un front plus large, bien que leur vitesse soit alors plus faible.

Les volumes de matériaux solides transportés par les courants de densité varientd'un site à l'autre, mais dans la retenue de Naodehai, sur la rivière Liuhe en CHINE,trois crues successives et anormalement grosses sur une période de o sedu mois de Juillet 1963 ont fourni une quantité totale de 79.1 x 10 %

jours à la finT de matériaux,

provenant pour la plupart du dépôt solide laissé par les courants de densité (Fan1981). Sur de tels sites, le phénomène de sédimentation dans son ensemble est dominépar ces courants de turbidité qui peuvent se produire plusieurs fois dans une mêmeannée. Ailleurs ces courants sont moins fréquents, mai ils créent des dépôts ayant unetexture caractéristique. Dans le cas moins extrême du lac Brienz, un fond de 11 km2créé par des courants de densité contient environ 5 x 10 m3 de matériaux solides(Sturm et Matter 1978). Sur de tels sites les matériaux solides déposés par lescourants de turbidité de la crue cinquantennale se mèlent aux matériaux déposés pard'autres processus.

32

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 44: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 45: Sedimentation Unesco

Les courants de turbidité ne résultent pas tous des effets de la rivière entrante,car ils peuvent aussi être créés par des glissements de terrain subaquatiques provenantdes deltas ou des berges de la retenue. De tels glissements, qui sont généralement lerésultat d'une accumulation excessive de matériaux de tenue médiocre qui peuvent aussiêtre induits par des séismes, se produisent indépendamment de la stratification de lamasse d'eau.

Les matériaux dispersés dans la masse d'eau décantent vers le fond. Ils peuventêtre interceptés, et emprisonnés ou ralentis à la pycnocline, mais quand des conditionsisothermes dominent, rien ne gêne leur descente vers le fond avec des vitesses de chutequi dépendent de leur taille, de leur densité et de la viscosité de l'eau.

Les matériaux grossiers se décantent rapidement, laissant derrière eux les limonsfins, les argiles et les matériaux organiques à basse densité finement dispersés. Lesvitesses de chute des particules d'argile se mesurent en quelques dizaines decentimètres par jour, et elles peuvent être transportées partout dans la retenue pardes courants lents pendant qu'elles s'approchent du fond.

Dans la plupart des retenues, des fragments de minéraux tels que quartz, feldspar,mica ou argiles dominent la partie inorganique des matériaux en suspension. Tous lesminéraux présentent les réseaux cristallins habituels qui comportent des chargesioniques non neutralisées sur les surfaces de rupture, si bien que beaucoup de cesminéraux possèdent une charge négative sur leurs faces et une charge positive sur leursbords. Ces charges favorisent la floculation des matériaux en suspension par liaisonionique. La décantation des floculats est plus rapide que celle des particulesindividuelles, mais demeure relativement lente, car les floculats forment desstructures ouvertes, avec de l'eau présente entre les composants.

La probabilité (J) de la formation de floculats est faible dans des suspensionsdiluées, mais augmente avec la quantité de particules présentes. Elle augmenteégalement avec la grosseur des matériaux. La juxtaposition de nombreuses particulesfines augmentent la probabilité d'impact entre particules, et entraîne une floculationpéricinétique. Cependant, davantage de collisions seront susceptibles de se produire sides gradients de vitesse sont là pour créer une floculation orthocinétique. Cela peutse produire dans la zone de cisaillement que constitue la pycnocline en été, ou près dufond avec des courants faibles. Cette probabilité s'exprime par l'équation

Einstein et Krone (1962) ont pu démontrer que dans une suspension de matériauxsolides ayant une concentration inférieure à 100 mg/l et avec des particules d'undiamètre de 0,3H , la floculation en présence d'un faible gradient de vitesse permetla formation de floculats qui peuvent contenir jusqu'à 600 particules primaires, et quiont la même vitesse de décantation que des particules de 2,k de diamètre.

La floculation orthocinétique peut aussi résulter du mouvement de faibles contre-courants créés par la circulation du vent dans les cellules de Langmuir, ou encore dansles points nodaux de seiches, tous facteurs ayant pour effet de rapprocher par lesgradients de vitesse. l'es particules dispersées et de stimuler la formation defloculats. Une floculation semblable se produit certainement aux limites d'un courantde densité quoique le cisaillement excessif lors de son activité maximale détruise lesstructures fragiles.

34

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 46: Sedimentation Unesco

Certaines données indiquent que la floculation peut dépendre du pH et qu'elleserait stimulée dans des eaux alkalines et inhibée dans des eaux acides (Döbereiner etMc Manus 1982). Une hypothèse a été avancée selon laquelle la floculation serait lemécanisme qui permet aux limons et aux argiles qui entrent dans le réservoir de HighlandCreek en Californie de s'y décanter (Trujillo 1982).

Puisque les liaisons entre particules sont surtout ioniques, la présence de selsdans l'eau peut provoquer une diminution de l'épaisseur de la double couche électriqueautour des petites particules, et donc encourager l'agrégation. Ce phénomène se produitplus fréquemment dans les eaux des estuaires, mais on le constate également dans desretenues contenant de l'eau saumâtre, comme dans le cas du lac Mead (Sherman 1953). Ilsuffit d'une très faible concentration de sel pour stimuler ainsi la floculation, del'ordre de 10 mg/l.. Ce niveau de concentration, et même des niveaux bien supérieurs,règnent dans la plupart des retenues dans le monde. Les matériaux dissous neproviennent pas exclusivement de sels minéraux, mais également de fluides organiquesayant lessivé des sols du bassin versant, ou d'organismes en décomposition dans laretenue. Des fibres organiques, des diatomées et des zooplanctons, qui possèdent dessurfaces avec une charge élevée, participent aussi à la formation de floculats dansl'eau (Holmes 1968). Les plus grosses particules présentes dans les floculats ont undiamètre de 24)Lenviron, très proche du maximum de 25fi observé dans l'eau de mer(Fajevec 1939). Une fois déposés, les floculats à peine retenus peuvent être entraînésde nouveau sous l'effet des faibles contraintes tangentielles générées par le courant :cependant, les floculats se cassent fréquemment en plus petites unités. Dans denombreuses retenues, on observe des dépôts homogènes, floculeux, fins et de faibledensité, qui produisent des traces "parasites" au-dessus du fond plus ferme détecté parun sondeur acoustique, et qui présentent peu de résistance à la pénétration corporelledes plongeurs. Ces dépôts contiennent souvent des quantités importantes de matièreorganique, 10 à 20 % de la masse (déterminé par des méthodes à l'ozone) et presque 50 %du volume dans plusieurs réservoirs en ECOSSE. La quantité d'organismes et de matériauxorganiques dépend essentiellement des apports d'éléments nutritifs' en provenance dubassin versant. Les eaux présentant un déficit en éléments nutritifs sont ditesoligotrophiques, celles contenant une quantité modérée sont dites mésotrophiques, etcelles où ces éléments abondent sont dites eutrophiques. La condition trophiquedétermine la productivité organique de l'eau, et donc la contribution apportée par lephytoplancton aux matériaux du fond. Les matériaux organiques servent à consolider lavase en lui donnant une apparence gélatineuse et en la rendant capable de résister àl'entraînement.

Et les particules fines et les détritus organiques absorbent des substanceschimiques présentes dans l'eau sur leurs surfaces. Dans certains cas, cela peutentraîner l'absorption par le dépôt solide de substances potentiellement toxiques, sibien que l'entraînement des matériaux du fond lors du "retournement" dans la retenuepeut être nuisible à la qualité de l'eau. En de nombreux endroits, des conditionsréductrices prévalent dans les couches du fond, et le retournement peut amener une eaudéficitaire en oxygène à la surface. Par conséquent, la qualité de l'eau dans denombreuses retenues dimictiques varie considérablement au cours d'une année.

La décomposition des matériaux organiques s'accompagne de la production de gaz,notamment de méthane. Ces gaz se dégagent le plus souvent dans l'eau, mais il n'est pasrare que des poches de gaz se forment en-dessous du lit. Quand cela se produit en-dessous de zones pentues, ces poches de gaz affaiblissent les matériaux et favorisentle glissement et l'affaissement du dépôt solide.

Les matériaux pélagiques qui s'accumulent sous forme de floculats sur les pentesdes bords de la retenue ont peu de cohésion interne. Au fur et à mesure que les couchesse superposent, elles peuvent atteindre un poids tel que le lit ne puisse plus lessoutenir. La rupture peut résulter du cisaillement et de l'assèchement des floculats,de l'échappement de gaz, ou encore de vibrations d'origine sismique. Quelle que soit la

35

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 47: Sedimentation Unesco

cause, des glissements subaquatiques, des écoulements de débris ou des affaissements seproduisent, où les matériaux solides descendent la pente, parfois en forme de blocsdistincts préservant la stratification, mais parfois en masses informes où desfragments de matériaux stratifies sont mélangés d'une façon chaotique aux autressédiments. Des glissements en forme de "replat" qui ressemblent à de petits glissementsde terrains se produisent parfois. Ces structures, facilement observables à l'aide desonars à balayage latéral, peuvent entraîner la progression de-masses considérables dematériaux solides vers le pied de la pente. Si le site s'y prête, ces glissementspeuvent venir heurter la vantellerie du barrage. De tels glissements peuvent êtrecausés par l'abaissement du plan d'eau, du fait que le dépôt solide n'est plus alorssaturé (Rodine et Johnson 1976 : Prior et alia 1979).

2-5 Géomorphologie des dépôts en fond de retenue

La variété des sites et des modes de formation des lacs naturels, ainsi quel'évolution de la 'topographie des vallées aménageables font que les morphologiesinitiales des retenues sont très disparates. Chacune hérite d'une structure modeléependant son état antérieur. Mais avec le temps des ressemblances apparaissent, etfinalement toutes les retenues connaissent des problèmes d'envasement similaires. Lesprincipales différences entre les processus qui mènent à cet envasement sont fonctionde la nature des apports solides de la rivière, et des courants créés par les effetsatmosphériques ou thermiques.

Lorsqu'une retenue est créée, la conséquence visible la plus évidente estl'élévation du niveau d'eau, ce qui submerge les vallées des affluents et entraîne leremblaiement du fond de ces vallées. Le dépôt des matériaux solides sur le fond desvallées se développe aux embouchures de tous affluents, et entraîne la formation dedeltas. La forme du delta dépend de celle du bassin et de l'action des vagues. Le deltasera rectiligne en eau très calme et prendra la forme d'un arc en eau très agitée.Après les matériaux végétaux grossiers du haut du delta, on trouve des matériaux deplus en plus fins en descendant, et puisque les matériaux se déposent selon leur anglenaturel de repos, ils peuvent glisser ou s'affaisser vers le bassin de temps à autre.

Sur les bords de la retenue, l'activité des vagues entraîne la juxtaposition defalaises d'érosion et de pentes et banquettes de sédiments, et la stabilité du niveaud'eau détermine celle atteinte par les berges. La migration des matériaux le long desberges entraîne l'envasement des criques, ainsi que la formation de barres et delangues de sable.

Les rivières entrantes principales sont responsables de chenaux qui traversent lespentes deltaïques, itinéraires par lesquels les courants de fond entrent dans laretenue. Les courants de densité transportent de grandes quantités de matériauxsolides, qui se déposent également dans les points bas des chenaux, parfois jusqu'aubarrage, ou dans les anciennes dépressions, si bien qu'il se produit une élévation dulit et un nivellement des sédiments qui constituent ainsi un fond à peu près uniforme.La nature des matériaux déposés, la présence ou l'absence de stratification, et lacohésion du dépôt solide dépendent surtout des mécanismes de sédimentation et desformes de l'écoulement qui conduira à la décantation.

Les écoulements de surface et les écoulements intermédiaires transportent aussides matériaux en suspension à travers la retenue, et cela à des niveaux déterminés parla densité relative de l'eau entrante et par la structure de densité thermique de l'eaude la retenue. La décantation des matériaux en suspension concentrés autour de lathermocline, ou au contraire, plus dispersés si les conditions sont isothermes, produit

36

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 48: Sedimentation Unesco

un manteau de matériaux "pélagiques" qui couvre tout objet submergé, qu'il soit naturelou artificiel. Ainsi, troncs d'arbres, maisons, routes, champs, fossés etc... setrouvent couverts de façon identique. Quand la sédimentation pélagique est faible, deséléments comme les murs peuvent demeurer reconnaissables pendant de nombreuses années,mais quand elle est rapide, le résultat est une surface uniformément plate oulégèrement ondulée. Trente ans après la mise en eau du Loch Tummel en Ecosse, sur lecôté ouest (où se trouve le delta à l'entrée du lac), la morphologie des terresagricoles, des murs, des clôtures et des chemins immergés demeure pratiquementinchangée. Et les échantillons prélevés au carottier montrent de la terre végétale etdes herbes flétries couvertes par une fine couche de vase. Ailleurs; l'envasement estplus rapide. Dans le réservoir de White River dans le Wisconsin, aux ETATS-UNIS, Battenet Hindall. (1980) ont constaté qu'après une période de 69 ans la plupart descaractéristiques géomorphologiques originelles ont été masquées. L'épaisseur de lacouche de vase était de plus de 5 m tout le long du lit d'origine, et dépassait 8 mdans la partie la plus profonde de la retenue à l'amont immédiat du barrage. Lamorphologie irrégulière d'origine avait subi une simplification considérable (Figure2.8).

Au fur et à mesure que la morphologie se simplifie, l'influence des irrégularitésphysiques de la cuvette diminue, et la circulation de l'eau est modifiée, ce quientraîne des changement dans la distribution des matières solides. Ainsi, un systèmegéomorphologique qui à l'origine était complexe avec des matériaux solides variés, etcontrôlé par des facteurs physiques divers, tend vers une sédimentation uniforme et uneforme simplifiée de la cuvette, qui peut elle-même être détruite quand des deltassecondaires s'étendent à travers le bassin. Les techniques d'exploitation de la retenueconduisant à l'abaissement du niveau et au maintien par des chasses systématiques d'unentonnoir de sédiments à l'amont du barrage contribuent également à la redistributiondes matériaux solides.

Une période prolongée d'abaissement du niveau d'eau entraîne l'assèchement et lecompactage des dépôts solides exposés. Deux phénomènes entrent en jeu : le compactage,qui est en général définitif, et le retrait, dû au départ de l'eau de la structure desminéraux argileux tels que la smectite et l'illite ; cette eau est normalementrécupérée lors d'une nouvelle immersion. Des mesures des fentes de retrait polygonaleseffectuées sur le fond du réservoir de Haweswater (ANGLETERRE) tendent à indiquerqu'une contraction latérale de 12 à 16 % des matériaux de surface est normale (Donovanet Archer 1975). On a obtenu des résultats semblables lors de la vidange du réservoirde Glenfarg (ECOSSE), où la diminution de l'épaisseur des sédiments a été estimée entre,5 à 10 % (Mc Manus et Duck 1983 en cours de publication). Ainsi, le compactage dessédiments du fait de leur exposition à l'air libre peut contribuer quelque peu à larécupération du volumè de la retenue perdu par envasement.

2-6 Erosion des berges

Quand le niveau d'eau est à son maximum, l'action des vagues enlève les matériauxdes berges érodés et les redistribue au large. Comme Carstens et Solvik l'ont démontré(1980), même si chaque vague n'effectue que des modifications minimes, à la fin d'uneannée l'activité des vagues produit des effets cumulés significatifs. Bien qu'unefraction seulement des vagues contribue normalement à l'érosion, des modifications seproduisent au fil des années. L'érosion du pied des berges entraîne le recul de la riveconsécutif à l'écroulement des talus instables, surtout par temps humide, et entraînele développement de plages au bord de la retenue.

L'affaissement des berges par des glissements de terrain s'étend plus avant dansla retenue lorsque le niveau est abaissé en-dessous de la tranche normaled'exploitation. L'évacuation rapide de la pression stabilisatrice de l'eau réduit les

37

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 49: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 50: Sedimentation Unesco

coefficients de sécurité pour la stabilité des talus, et des glissements sérieuxpeuvent en résulter. Ce problème est lié en partie au départ de l'eau interstitiellecontenue dans les dépôts solides, et les effets néfastes peuvent être minimisés enassurant un abaissement lent du plan d'eau.

Lorsque l'eau de la retenue disparait, cela permet également à l'eau de la nappephréatique de sourdre au niveau de la rive qui se retire et au-dessus. Lesaffouillements qui se produisent à la naissance de ces nouveaux ruisselets produisentun recul de la ligne où ils apparaissent, ce qui non seulement &-ode le fond et lesberges, mais aussi accentue les pentes par endroits, et favorise ainsi les glissementsde terrain.

Quand le plan d'eau est abaissé, la rivière entrante coule avec un niveau de basemoins élevé, et par conséquent un creusement du lit se produit.

Dans des latitudes élevées, la chute des températures en hiver peut entraîner laformation d'une couche de glace sur la retenue. Cela empêche l'érosion des vagues surles berges, mais pendant la fonte, les sédiments des berges peuvent être incorpores àdes blocs de glace flottants qui les entraînent vers des parties plus profondes de laretenue avant de fondre. Des chenaux profonds peuvent être découpés par des blocs oudes bancs de glace emportés par le vent à travers la retenue.

Ainsi, la glace peut non seulement transporter au large des cailloux et dessédiments, mais aussi provoquer une érosion des rives, creuser les berges et le fond,et favoriser le glissement subaquatique des talus à forte pente.

39

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 51: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 52: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 53: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 54: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 55: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 56: Sedimentation Unesco

MESURES IN SITU

3-l MESURES IN SITU DU DEBIT SOLIDE ENTRANT ET SORTANT D'UNE RETENUE

Ce chapitre traite des différentes techniques disponibles pour mesurer le débitsolide entrant dans une retenue, le transport solide à travers une retenue, et le débitsolide sortant d'une retenue. Les matériaux solides sont apportés dans une retenue parles ruisseaux et les rivières, ainsi que par ruissellement direct. Les matériaux solidesqui pénètrent dans une retenue sont d'une granulométrie extrêmement variée, allant desgraviers et des cailloux jusqu'aux particules de limon et d'argile. Puisque la vitesse ducourant dans une retenue est faible, les matériaux grossiers sont rapidement déposés parles eaux entrantes pour former un delta. Les matériaux d'une grosseur supérieure à celledes particules de limon ne sont évacués d'une retenue que très rarement..

La meilleure façon d'obtenir une mesure exacte de la quantité de matériaux solidesapportés dans le lac par une rivière est de mesurer le débit et la concentration enmatériaux solides de la rivière entrante à l'amont de la retenue. Bien qu'il soitquestion dans ce chapitre de quelques principes généraux du prélèvement de matériauxsolides, ainsi que des appareils de prélèvement les plus récents, une étude approfondiede ce sujet sort du domaine de ce rapport. Nous recommandons donc au lecteur les rapportssuivants :

- World Meteorological Organization (Rapporteur, 1981)

- United States Reports (Federal Inter-Agency Sedimentation Project - Inter-AgencyCommittee on Water Resources)

- U.S. National Handbook of Recommended Methods for Water-Data Acquisition (Guy,1978).

Pour faciliter les mesures, les matériaux solides transportés par une rivière sonthabituellement classés en deux catégories : a) Les matériaux fins, ayant un diamètreinférieur à 0,062 mm et b) Les matériaux grossiers ayant un diamètre supérieur à 0,062mm,ces derniers peuvent être divisés à leur tour en deux catégories, les matériaux ensuspension et les matériaux charriés. Les' matériaux fins sont facilement amenés ensuspension par la turbulence de la rivière, et ils circulent à peu près à la même vitesseque l'eau. La concentration des matériaux fins dans l'eau dépend de la quantité fourniepar le bassin versant, quantité qui est elle-même liée aux précipitations. Cetteconcentration ne dépend qu'indirectement du débit ou de la capacité de transport de larivière. Puisque la concentration en matériaux fins peut varier énormément avec le temps(des variations dans un rapport de 100 à 1000 sont fréquentes), la plupart des erreurscommises dans l'échantillonnage sont dûes à un nombre de mesures insuffisant pourdéterminer ces fortes variations.

Le calcul des concentrations en matériaux fins exige normalement le prélèvement d'unmélange d'eau et de matériaux, le tri et la pesée des matériaux. La plupart des appareilsde prélèvement fonctionnent manuellement. Le fait que les appareils de prélèvement dematériaux en suspension ne récoltent qu'un petit échantillon constitue un inconvénient.Rien que quelques appareils électroniques récents mesurant la granulométrie des matériauxfins n'aient besoin que d'un petit échantillon, la plupart des méthodes traditionnellespour le calcul de la granulométrie des matériaux fins, ainsi que toutes les méthodesutilisées pour les matériaux grossiers, exigent le prélèvement d'une assez grandequantité de matériaux. Un appareil mis au point par l'Institut Jazroslav Cerni est

45

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 57: Sedimentation Unesco

constitué par une enceinte sous vide et un tuyau d'aspiration avec un ajutage monté surle saumon d'un moulinet (Miloradov, 1968). On peut ainsi effectuer des prélèvements enmême temps que l'on mesure la vitesse du courent, et on peut prélever un volume supérieurà 10 L de matériaux. Dans certains cas, des appareils à pompe sont utilisés pour préleverdes matériaux automatiquement. Ces appareils sont destinés à des installationspermanentes où la prise d'eau peut être fixée à un point donnée. Des appareils deprélèvement pompent le mélange d'eau et de matériaux à travers un tuyau et l'évacuentdans une rangée de récipients de prélèvement. L'appareil à prélèvement PS-69 à pompe, parexemple, est particulièrement adapté au prélèvement des matériaux fins. Il fonctionne surbatteries et aspire un mélange d'eau et de matériaux solides en un point de la rivièrequi correspond à un schéma prédéterminé (Guy, 1978 - p. 3-22). Le mécanisme duprélèvement est actionné, soit par un interrupteur manuel, soit par un minuteur àintervalles constants, soit encore par un interrupteur qui active un minuteur quand unniveau présélection& est dépassé.

On a développé des appareils de surveillance qui enregistrent la concentration desmatériaux fins en continu, ou au moins à des intervalles de temps très rapprochés. Ontégalement été élaborés, des instruments qui enregistrent l'atténuation ou la diffractionde la lumière, le rayonnement nucléaire, ou le bruit (Guy, 1966). Malheureusement, ils'est avéré qu'aucun de ces appareils n'est adaptable à toutes les situations (Guy, 1978- p. 3.28). Cependant, certains de ces instruments peuvent être très performants pour desapplications spécifiques.

Tandis que les matériaux fins sont facilement maintenus en suspension par laturbulence de la rivière, les matériaux grossiers ont tendance à se déposer au fond. Enfonction de leur granulométrie et de la turbulence de la rivière, les matériaux grossierspeuvent être dispersés verticalement d'une façon presque uniforme, ou au contraire seconcentrer près du fond. Les matériaux grossiers les plus petits sont transportés ensuspension avec les matériaux fins et constituent avec eux la charge en suspension. Lesautres matériaux, et notamment les plus gros, s'avancent par roulement, par glissement oupar saltation, et sont presque continuellement en contact avec le fond. Ces matériauxconstituent le débit charrié. Bien que l'U.S Geological Survey ait enregistré desvaleurs pour le débit charrié qui vont de seulement 1 % du débit solide total sur larivière Tanana à 35 % du débit solide total sur la rivière East Fork (Emmett, 1983 -communication personnelle), Linsley et Franzini (1979 - p. 159) affirment que le débitcharrié représente généralement entre 5 et 25 % du transport total de matériauxgrossiers.

Le lit d'une rivière comporte en général une grande quantité de matériaux grossiers.La vitesse de leur transport est donc déterminée par la capacité de transport du courant,et non pas par la quantité de matériaux, comme c'est le cas pour les matériaux fins. Lavitesse du transport des matériaux grossiers est liée au débit, mais elle tend à varierconsidérablement dans le temps et selon la section de la rivière choisie.

Les matériaux grossiers en suspension peuvent être prélevés en utilisant- destechniques semblables à celles utilisées pour les matériaux fins, mises à part deuxconsidérations importantes. D'abord, à cause de l'inertie des matériaux grossiers, on nepeut obtenir un prélèvement représentatif que si la vitesse d'entrée dans l'appareil estégale à la vitesse du courant au point de prélèvement. Deuxièmement, il faut prendre encompte la grande variabilité spatiale des matériaux grossiers en suspension, notammentdans le sens vertical. Donc, un seul prélèvement sera rarement représentatif de laconcentration moyenne dans la section. Bruk et Alia (1981) font remarquer qu'il estimportant de mesurer simultanément la concentration et la vitesse, afin d'obtenir unebonne corrélation entre la courbe mesurée et la courbe théorique de la concentration.

La mesure du débit charrié est extrêmement difficile. Habituellement, 'des appareilsde prélèvement sont employés pour le mesurer. Malheureusement, la quantité de matériaux

46

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 58: Sedimentation Unesco

charriés est extrêmement sensible à la vitesse locale du courant, et il est impossibled'installer un appareil dans l'écoulement sans perturber la vitesse du courant près del'appareil. Néanmoins, des appareils à base de sac tels que celui de Helly-Smith (Emmett,1980 - Rapporteur 1981. p. 37) sont probablement les plus répandus. Actuellement, il estdifficile de recommander un seul appareil ou type d'appareil. D'autres techniques sontparfois employées. Par exemple, des débits charriés ont été calculés à l'aide de pièges àcailloux (Emmett, 1980), ou à partir des mesures de la transformation du lit (Simons etAlia, 1965), des itinéraires de traceurs (Sayre et Hubbel. 1963 - Tool, 1976), del'érosion ou du dépôt dans une zone donnée, et des différences de concentration relevéespour une grandeur variable associée aux matériaux charriés en différents points de leuritinéraire (Hubbel et Gleen, 1973). Ces méthodes permettent d'obtenir des résultatsrelativement précis, mais elles nécessitent toutes des prélèvements effectués pendantd'assez longues périodes. Le débit charrié est souvent calculé aussi à l'aide de diversesformules basées sur les propriétés des matériaux solides et sur l'hydraulique desécoulements à surface libre.

Le débit solide total d'une rivière est la somme de trois éléments : les matériauxfins en suspension, les matériaux grossiers en suspension, et les matériaux charriés. Acause des différents types de circulation de chaque catégorie, il n'existe aucun appareilcapable de mesurer le débit solide total en un point naturel donné. Généralement, oncalcule le débit solide total en additionnant les mesures des matériaux charriés. Danscertains cas exceptionnels tels que les déversoirs, les seuils, ou des zones trèsturbulentes, l'ensemble de matériaux solides peut entrer en suspension, et des appareilsconventionnels peuvent être utilisés pour mesurer le débit solide total. Ces techniquesont été décrites par Vanoni (1977).

Pour chaque rivière, à cause des variations de la vitesse et de la profondeur d'eau,de la morphologie du lit, etc..., le taux du transport solide varie considérablement dansle sens transversal. D'un côte à l'autre du MISSISSIPPI, on a enregistré des différencesentre les moyennes verticales de concentration de matériaux en suspension atteignant2 400 mg/L, et à plusieurs reprises, la différence était supérieure à la concentrationmoyenne calculée pour la section (Vanoni, 1977, p. 323). Pour cette raison, il fautmesurer le débit solide d'une rivière de la même façon que l'on mesure le débit liquide.C'est à dire que l'on mesure la concentration moyenne en matériaux solides de plusieurstranches verticales d'une section, puis on multiplie chaque concentration par le débitliquide de sa tranche verticale, et l'on obtient une valeur de débit solide pour chaquetranche. Ces valeurs sont ensuite additionnées afin de trouver le débit solide total dela rivière.

Normalement, les calculs du débit solide (des matériaux fins, grossiers, ensuspension ou charriés) sont basés sur des prélèvements effectués à des intervalles detemps irréguliers. La fréquence avec laquelle ces prélèvements sont effectués par lesobservateurs est inférieure à la fréquence caractéristique des modifications de laconcentration en solides de la rivière. Les renseignements fournis par les prélèvementsde matériaux peuvent être employés afin d'estimer le débit solide total en établissantune relation entre le débit solide et le débit liquide. Cette relation, appelée courbe dutransport solide, sert à estimer le débit solide total d'une rivière à partir de lamesure continue correspondante du débit liquide. La relation entre le débit solide QS etle débit liquide, Q, est souvent exprimé mathématiquement par l'équation :

Q S = aQb

où b varie normalement entre 2 et 3, tandis que a, valeur du débit solide pour un débitliquide unité, est généralement petit (Linsley et Franzini, 1979, p. 159).

47

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 59: Sedimentation Unesco

Dans de nombreuses rivières, quand le rapport entre la vitesse et la profondeur del'eau est relativement constant, un rapport également constant existe entre la quantitéde matériaux grossiers transportés et le débit liquide (Guy, 1978, p. 3-28). Dans ce cas,la courbe du transport solide devrait fournir une estimation assez précise du débit totaldes matériaux grossiers. Par contre, la vitesse de l'érosion varie avec l'intensité desprécipitations, les conditions du sol, le type de végétation, et plusieurs autresfacteurs. Donc, bien que l'on puisse penser que la concentration des matériaux fins soiten rapport avec le débit liquide, ce rapport n'est d'habitude pas aussi précis que celuiconstaté pour les matériaux grossiers. Dans certains cas. la courbe du transport solideprésente une nette modification saisonnière, et il faut donc établir des courbesdistinctes pour chaque saison (Strand, 1977, p. 769).

Un problème fréquent associé aux courbes de débit solide, ainsi qu'à l'étude dutransport solide en général, est que les débits solides les plus importants ontgénéralement lieu pendant les crues. Ainsi, une partie notable du transport solide totalpeut s'effectuer pendant ces périodes restreintes, précisément quand les prélèvementss'avèrent difficiles à réaliser. Par conséquent, la partie la plus importante de lacourbe du "transport solide est souvent mal définie à cause de l'insuffisance deprélèvements effectués pendant les crues.

Il faut souvent effectuer des mesures pendant plusieurs années avant de pouvoirformuler des hypothèses concernant le débit solide moyen annuel. Pour un degré donné defiabilité, le nombre d'années d'observation requis dépendra du nombre d'épisodes dansl'année où le transport solide a lieu, de la fréquence des prélèvements, et de la variétédes sédiments rencontrés à chaque épisode. Les données enregistrées par Neff (1967)illustrent ce problème. Pour les régions arides, Neff a montré que 60 % des sédimentsproduits à long terme étaient liés à des crues ayant une période de retour de 10 ans ouplus. Dans les régions humides,importantes.

seulement 10 % des apports solides provenait de ces crues

Les matériaux solides pénètrent dans un lac, une retenue ou un étang soit ansuspension, soit par charriage. On peut étudier le transport solide à l'entrée d'uneretenue de la même façon que dans une rivière, car la vitesse du courant n'est pasnégligeable. Cependant, plus une eau chargée avance dans une retenue, plus elle voit savitesse et sa turbulence se réduire. Les matériaux charriés et les matériaux grossiers ensuspension sont rapidement déposés pour former un delta à l'entrée de la retenue. Lesmatériaux plus fins restent plus longtemps en suspension et sont déposés plus loin. Aufur et à mesure que ce mélange d'eau et de solides avance dans la retenue, la vitesse ducourant approche de zéro, et tout mouvement, s'il existe, résulte de phénomènes decirculation complexes. Les matériaux fins peuvent se maintenir longtemps en suspension,et certains peuvent traverser la retenue et être évacués par les pertuis de fond, par lesturbines ou par l'évacuateur de crue. La complexité des phénomènes de circulation et dumouvement des matériaux en suspension rend nécessaire l'adaptation des techniques deprélèvement à chaque cas précis, en fonction des objectifs du programme de prélèvement.

3-2 VITESSES D'ACCUMULATION

3-2-l Méthodes topographiques

Toute retenue est condamnée à terme au comblement. La durée de vie utile d'unbarrage se situe entre le moment de sa construction et le moment où la sédimentation esttellement avancée que le barrage ne sert plus les objectifs prévus. Puisque la vitessed'accumulation des matériaux solides est difficile à prévoir, il est pratiquementtoujours souhaitable de mesurer le volume et le poids des matériaux accumulés à desintervalles précis, et cela durant la vie entière de l'ouvrage. Ces données peuvent êtreutilisées à plusieurs fins :

48

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 60: Sedimentation Unesco

1 - Estimer les quantités de matériaux produites dans un bassin versant ou unerégion donnée,

2 - Evaluer les conséquences néfastes de la sédimentation,

3 - Utiliser les données pour l'étude de futurs ouvrages,

4 - Evaluer l'efficacité des mesures de protection du bassin versant,

5 - Déterminer la distribution des matériaux dans une retenue donnée,

6 - Prévoir la durée de vie ou la période d'exploitation utile d'un réservoir.

Une fois que la construction d'un barrage en vue de la création d'une retenue estachevée, quelque soit sa dimension, on doit établir un programme de contrôletopographique de la retenue. Ce programme peut varier beaucoup en fonction de ladimension du barrage, de son mode d'exploitation, de son but, et de la quantité d'apportssolides prévue. On trouvera quelques éléments utiles à l'établissement d'un projetsérieux de contrôle topographique d'une retenue en se référant à Guy, 1978, (p. 3.57 -3.58), Vanoni, 1977 (p. 349 - 350), et Pemberton et Blanton, 1980 (p. l-3).

La méthode habituellement employée pour l'étude topographique d'une retenue a peuévoluée depuis qu'elle fut décrite par Eakin en 1939. Cependant, les appareilsdisponibles pour réaliser les principales mesures ont connu des améliorations notables.Dans son principe, la méthode consiste à établir une carte bathymétrique du fond de laretenue, qui est ensuite comparée à une carte établie précédemment, afin de mettre enévidence les différences dans les volumes de sédiments déposés. Il existe deux méthodesprincipales pour conduire l'étude topographique d'une retenue : l'une basée sur lesprofils et l'autre basée sur les courbes de niveau. Le choix de la méthode dépend du typede document topographique déjà disponible, des objectifs et de la portée de l'étude, dela taille de la retenue, et du degré de précision requis.

La méthode des profils est la plus répandue pour des retenues de moyenne ou degrande dimension ; elle nécessite une étude topographique subaquatique utilisant desméthodes hydrographiques. Cette méthode consiste à faire le levé topographique d'uncertain nombre de profils en travers de la cuvette avant sa mise en eau. Après leremplissage, on lève à nouveau ces profils périodiquement. Chaque profil représente unetranche. Cette méthode nécessite moins de travail sur le terrain et coûte moins cher quela méthode des courbes de niveau. Par contre, elle est souvent moins précise. On trouverades détails concernant spécifiquement cette méthode dans de nombreux ouvrages cités enréférence, entre autres ceux de Vanoni, 1977 (p. 369-382) ; Guy, 1978 (3.59 - 3.82) ; etEakin, 1939.

La méthode des courbes de niveau a recours essentiellement à des techniquesutilisées pour les levés topographiques (Wolf, 1974). La méthode est particulièrementbien adaptée à la prise de vue aérienne, quand les vols peuvent être programmés enfonction de niveaux différents dans la retenue. Pour appliquer cette méthode, il estimportant de posséder un bon levé topographique de la cuvette avant sa mise en eau. Laméthode des courbes de niveau s'emploie essentiellement soit pour les petites retenues,soit pour les retenues vides ou très basses, ou encore lorsqu'un grand degré de précisionest nécessaire.

49

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 61: Sedimentation Unesco

Le choix de la distance entre les courbes de niveau dépend des mêmes facteurs queceux retenus pour l'élaboration d'une carte topographique, mais il est conseillé de nepas dépasser 1,5 m pour les grandes retenues et 0,5 m pour les petites retenues(Pemberton et Blanton, 1980; p. 2).

L'application de l'une ou de l'autre méthode implique la mesure de la cote du fonden de nombreux points dans la retenue. Ces mesures sont pratiquements toujours effectuéesen enregistrant la profondeur de l'eau sous un bateau ainsi que la situation exacte dubateau sur la surface de la retenue. Donc, deux types de mesures sont nécessaires ; desmesures de position et des mesures de la profondeur, ou de la cote de fond. Les méthodesde base et les facteurs intervenant dans le choix des instruments de mesure ont étéexaminés par Vanon. 1977 ; Hart et Downing, 1977 ; et Guy, 1978. Le choix des instrumentsappropriés dépend de plusieurs considérations.

La manière la plus simple de mesurer la profondeur de l'eau est d'utiliser un saumonou une sonde pour la relever directement. Si l'on utilise un saumon, le poids et la formedu plomb doivent être enregistrés afin que des études ultérieures puissent être faitesavec le même type d'instrument. Autrement, les résultats risquent de ne pas pouvoir êtrecomparés pour des zones à fond meuble.

On utilise de préférence des sondeurs acoustiques pour mesurer la profondeur dans laplupart des retenues. Les instruments acoustiques disponibles aujourd'hui peuvent fournirun levé continu de la morphologie du fond. Les éléments de base sont un enregistreur, untransducteur qui peut émettre et recevoir, et une source d'énergie. On peut, avec unétalonnage minutieux, obtenir un degré de précision élevé dans l'établissement d'un levétopographique du fond. Les instruments acoustiques peuvent manquer de précision quand ils'agit d'un fond à forte pente (Vanoni, 1977, p. 353). Un sondeur acoustique ordinairefonctionne avec une fréquence de 60 KHz. ce qui est tout à fait suffisant pour détecterle contact entre l'eau et le fond, dans le cas ou le fond se compose de sables ou degraviers. Cependant, quand le fond est constitué par de la vase, il se peut que lesondeur situe l'interface 13 à 15 cm plus bas que sa position réelle (Rakoczi, 1984,communication personnelle). L'utilisation des sondeurs d'une fréquence d'environ 120 KHzpeut pallier à cet inconvénient et fournir des renseignements sur les couches sous-jacentes. Cependant, l'interprétation de ces résultats est souvent difficile à cause dufaible pouvoir de résolution. Si l'interprétation est faite avec compétence, cesenregistrements peuvent fournir de précieux renseignements concernant la granulométrie,le degré de compactage, la vitesse de sédimentation, et d'autres caractéristiques dufond.

M. Laszlo Rakocsi (1984, communication personnelle1 estime que les radars àimpulsions sont plus performants que les sondeurs acoustiques, car ils sont conçusspécialement pour la détection des couches de terrain subaquatiques et ont un meilleurpouvoir de résolution que les instruments acoustiques. Le nom exact de cet instrument estle "Subsurface Interface Radar", et il fonctionne à partir d'impulsionsélectromagnétiques à la place d'ondes acoustiques. Il fonctionne entre 300 et 1000 KHz(Rakoczi, 1984, communication personnelle).

L'autre mesure de base nécessaire pour l'étude topographique d'une retenue est cellede la position du bateau au moment où l'on mesure la profondeur. Plusieurs techniquesmanuelles sont utilisées pour effectuer cette mesure. L'utilisation d'une corde constitueune méthode simple et très efficace sur des petites retenues. Sur des plus grandesretenues, on situe la, position du bateau par des méthodes de triangulation à partir depoints fixes sur les-rives.

50

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 62: Sedimentation Unesco

Les plus importants progrès techniques récents dans le domaine des levéstopographiques de retenues sont liés au développement d'instruments sophistiqués pour lanavigation et le positionnement nautique. Les systèmes de positionnement nautique onttoujours utilisé des techniques très variées, et au fil des‘ ans de nombreusesappellations sont apparues pour les divers instruments. Chaque appellation correspondsoit à une unité de mesure, soit à un type de fonctionnement. Afin de résumer rapidementpour le lecteur un certain nombre d'appellations des systèmes de positionnement, laFigure 3.1 réunit quelques uns des instruments les plus répandus. 'Ce tableau, établi parHart et Downing (1977) tente d'énumérer quelques relations entre les différents systèmesde positionnement. Les combinaisons fréquemment utilisées sont indiquées par un X.

Depuis quelques années, un bouleversement s'opère car les techniques manuelles detopographie cèdent de plus en plus la place aux techniques électroniques. Hart et Downing(1977) ont étudié la disponibilité sur le marché des divers appareils énumérés dans laFigure 3.1.

Parmi les instruments à répondeur actif, on trouve ceux utilisés pour mesurer ladistance qui comportent d'une part un élément qui transmet une première impulsion etd'autre part un élément qui reçoit cette impulsion et qui envoie en retour une deuxièmeimpulsion, qui est ensuite décodée pour determiner la distance. Les instruments àrépondeur actif sont très répandus aux ETATS-UNIS, à cause de la grande variétédisponible sur le marché (Hart et Downing, 1977, p. 11). La Figure 3.2 représente uncroquis de la mise en place du dispositif typique pour une étude hydrographique moderne.Les systèmes de positionnement à répondeur passif utilisent également des instrumentsmesurant la distance pour transmettre des signaux, mais le signal de réponse provient del'énergie réfléchie par les rives de la retenue, et non de l'émission d'un nouveau signalcomme dans le cas du répondeur actif. Bien qu'il faille prendre plusieurs facteurs enconsidération pour déterminer la précision d'une étude topographique (Hart et Downing,1977), même les systèmes les plus simples ont souvent une portée de 20 km et uneprécision de t 2m. Les appareils de navigation à effet Doppler peuvent fonctionner sansconnaître l'emplacement de l'objet qui renvoit les signaux. Donc, ils peuvent offrir unegrande liberté d'utilisation, puisqu'il n'est pas nécessaire de rester dans le champ derépondeurs ou de réflecteurs installés sur les rives. La précision d'un appareil à effetDoppler est inversément proportionnelle au temps écoulé depuis le point de départ ; laposition réelle doit donc être périodiquement corrigée. Puisque la précision des sytèmesinertiels de navigation est inversément proportionnelle au carré de la durée. ils ont étépeu utilisés pour des études topographiques de retenues. Des données astronomiques ou enprovenance de satellites ne peuvent pas fournir à ce jour la précision nécessaire à uneétude topographique de retenue. Des systèmes de radiobalisage émettent de l'énergieacoustique ou optique, ou des fréquences radio à partir d'un point spécifique, et lesignal de référence peut être capté par tout utilisateur possédant le récepteur adapté.On peut utiliser des radiophares pour calculer la distance, mais aussi pour fournir desréférences azimutales.

Mis à part les systèmes à effet Doppler et les systèmes inertiels, Les systèmes depositionnement mesurent soit la distance vers au moins deux points de référence connus,soit la distance et l'angle vis à vis d'un point unique de référence. La mesureélectronique des distances est généralement plus facile que celle des angles. Lesappareils existent avec ou sans ligne de visée, selon la fréquence des signaux utilisée.Les systèmes comportant une ligne de visée fonctionnent de la même manière que lesanciennes méthodes manuelles, mais la vitesse et la précision sont nettement supérieures.

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 63: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 64: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 65: Sedimentation Unesco

Les systèmes électroniques nécessitent moins de main d'oeuvre que les anciennesméthodes mécaniques de positionnement, et ils sont tout à fait adaptes au traitementautomatique des données relevées. Les instruments sont en général très précis, mais fontappel à une technologie complexe et sont relativement coûteux. Les procéduresd'utilisation, qui varient selon le système utilisé, sont en général bien exposées dansles modes d'emploi fournies par les fabricants. Ces appareils ont été présentés et ontfait l'objet de discussions lors de plusieurs colloques sur le sujet (U.S. Corps ofEngineers. 1972. 1973, 1974, 1982 ; et Hart et Dowming, 1976, 1977, 1978, 1980). Une foisque les données concernant la profondeur de l'eau et la position du bateau sont obtenues,elles permettent de calculer le volume d'une retenue, le taux de sédimentation ou levolume de certaines zones. Le volume du dépôt solide accumulé dans une retenue estcalculé à partir de la différence entre le volume total d'origine et le volume calculépar la nouvelle étude 'topographique. On utilise plusieurs méthodes pour calculer levolume d'une retenue. Heinemann et Dvorak (1965) ont élaboré un excellent résumé deplusieurs de ces méthodes, dont la plupart peuvent être programmées pour un traitementinformatique.

La principale méthode utilisée pour calculer le volume d'une retenue est uneadaptation de la méthode des surfaces moyennes; méthode fréquemment employée pour lesmétrés de travaux de terrassement. Quand on utilise la méthode des courbes de niveau, onmesure les surfaces délimitées par chaque courbe et on calcule les volumes entre lescourbes successives. Quand on utilise la méthode des profils, on mesure la surface dechaque section et l'on calcule le volume entre les différents profils.

Un des plus grands progrès techniques des dernières années est probablementl'apparition d'ordinateurs et de systèmes de traitement automatique installés à bord desbateaux. Ces appareils peuvent être directement branchés sur des appareils depositionnement et de sondage afin d'enregistrer les données, de guider le pilote, etsouvent de tracer une courbe des résultats. Un système) complet sera choisi en fonction :a) du degré souhaité d'automatisation "in situ" - b) du coût - et c) des dimensions dubateau. La plupart des systèmes utilisés sur une retenue doivent pouvoir être installéssur un bateau remorquable. Ces systèmes peuvent normalement guider le pilote etenregistrer les données, mais en général ils ne fournissent pas de graphiques. Pembertonet Blanton (1980) ont décrit brièvement le système utilisé par l'U.S. Bureau ofReclamation.

3-2-2 La Datation des sédiments

Le paragraphe précédent traitait 'des études topographiques effectuées afin -dedéterminer le taux de sédimentation dans une retenue. La quantité de sédiments accumuléeest. essentiellement calculée à partir des différentes cotes du fond relevées pendantchaque levé topographique. La précision de cette méthode laisse à désirer, sauf s'il y aune très forte accumulation, car la quantité est calculée à partir de la différence entredeux valeurs élevées et inexactes. Lors de la mesure des fonds à forte pente, l 'erreurpeut être particulièrement grande, car uns petite modification de la position du bateaupeut entraîner une modification importante de la cote mesurée du fond. L'U.S. Soi1Conservation Service. 1973) recommande une mesure directe de la profondeur des sédimentsquand elle est inférieure à 0,3 m. Dans le cas où un bon levé topographique d'originen'existe pas, la mesure directe de la profondeur des sédiments est la seule techniquepossible.

54

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 66: Sedimentation Unesco

On utilise habituellement des perches de sondage. des cannes racleuses ou deséchantillons carottés pour mesurer la quantité de sédiments accumulés. Si l'eau est peuprofonde et si les autres conditions sont favorables, la perche de sondage constitue laméthode la plus simple. Quand des sédiments meubles reposent sur un fond dur, on peutd'abord enfoncer le poteau jusqu'à la surface du dépôt. relever la profondeur, puisenfoncer le poteau jusqu'au fond plus dur, et relever la profondeur de nouveau pourcalculer la profondeur du dépôt. Quand la couche superficielle du fond est très instable,il arrive que le poteau s'enfonce dans le fond à plusieurs centimètres de profondeur sansque cela se remarque. Rakoczi (1983) décrit un dispositif simple et peu coûteux qui peutpallier à cet inconvénient. Il s'agit d'une canne constituée d'une tige en acier, pourvuede rainures qui se remplissent de sédiments. La canne, attachée à une corde, est lachéeverticalement dans le dépôts solide. Après récupération, on étudie les sédiments contenusdans les rainures afin de déterminer l'épaisseur du nouveau dépôt. Pour être efficace,cette canne doit pénétrer complètement dans le dépôt accumulé, et ce dernier doit pouvoirêtre distingue des matériaux naturels sous-jacents. Les. prélèvements carottés sont plusdifficiles à effectuer, mais ils fournissent de meilleurs échantillons de sédiments, àpartir desquels il est possible de situer l'interface entre le dépôt d'origine et lessédiments accumulés.

Une retenue reçoit des apports liquides et des apports solides de son bassinversant, et la plupart des sédiments s’accumulent sur le fond. Puisque tous le8phénomènes hydrologiques sont dans une certaine mesure interdépendants, les sédimentstémoignent des conditions physiques, chimiques et climatiques qui règnent dans le bassinversant. Toute modification importante de ces conditons laissera sa trace dans le dépôtsolide accumulé. Si l'on parvient à identifier et à dater ces modifications, on peutcalculer le taux de sédimentation. Des traceurs naturels de types divers ont été employéspour calculer les taux de sédimentation, sur des périodes allant d'une décennie àplusieurs milliers d'années (Winter et Wright, 1977).

La datation de sédiments d'origine organique par le carbone 14 a été utilisée afind'estimer les taux de sédimentation au cours des millénaires passés. Cette méthode. quiest examinée dans l'annexe 3.1, ne convient pas à l'étude de la sédimentationrelativement récente, celle qui, en pratique, nous intéresse dans les problèmesd'envasement des réservoirs. Robbins et Edgington (1975) ont utilisé l'activité del'isotope 210 du plomb afin d'estimer le taux de la sédimentation dans le Lac Michiganaux ETATS-UNIS, à partir d'échantillons carottés provenant de huit points précis. Leséchantillons montraient que le taux de sédimentation depuis une centaine d'années avaitété constant. Les résultats obtenus par cette méthode concordaient avec une autreestimation faite à partir de la distribution de pollen.

Les programmes d'essais d'armes nucléaires qui ont commencé en 1954 ont conduit àl'introduction dans le monde entier d'un traceur radioactif qui est relativement facile àdétecter.

Il s'agit du Césium’- 137, qui n'existe pas à l'état naturel. Le Césium - 137 s'estdéposé sur la terre sous forme de retombées radioactives, et puisque ces retombées ontévolué avec le temps, on devrait constater une évolution analogue de la quantité decésium - 137 contenue dans un échantillon de sédiments. Si l'on établit une courbe durapport entre la concentration en 137 Cs et la profondeur des sédiments, on devraitconstater une activité maximale à la profondeur correspondant aux sédiments déposés en1963, et une absence de 137 Cs avant 1954. L'annexe 3.7 contient une description plusdétaillée de cette méthode.

55

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 67: Sedimentation Unesco

Robbins et Edgington (1975) ont également étudié la présence de 137 Cs dans deséchantillons carottés prélevés dans le Lac Michigan, aux ETATS-UNIS, et ils recommandentl'utilisation simultanée des méthodes à base de 137 Cs et de 210 Pb, car la combinaisondes deux méthodes peut fournir des renseignements plus précis en-ce qui concerne lesmécanismes physiques et chimiques de la sédimentation.

La plupart des traceurs naturels existent probablement de façon plus localisée. Unemodification de la culture ou de caractéristiques de l'environnement dans un bassinversant peut donner naissance à un traceur unique et identifiable. Par exemple, on aconstaté une nette augmentation de la concentration en pollen de l'herbe de St Jacquesdans les sédiments déposés dans les lacs du centre et de l'est des ETATS-UNIS, et cela àpartir de la période des premiers peuplements de ces régions. Ce traceur naturel donne debonnes indications sur les conditions de sédimentation depuis une centaine d'années. S'ilest possible de dater l'introduction d'une nouvelle culture dans une région déterminée,alors la distribution de pollen dans les sédiments peut indiquer le déroulementchronologique de la sédimentation. Dans des retenues qui reçoivent des eaux usées, il estsouvent possible de détecter une augmentation de la concentration en phosphates dans lessédiments qui se sont déposés après l'apparition des lessives à base de phosphates.Bradbury et Megard (1972) ont constaté une augmentation abrupte de la concentration enhématite et en limonite dans les sédiments du Lac Shagawa, dans le Minnesota, aux ETATS-UNIS, après 1900, date où l'activité minière a commencé dans le bassin versant.

Bien que des matériaux très variés soient présents dans le dépôt solide d'uneretenue, ceux qui ont été étudiés en détail sont les matières minérales telles que lesable, les limons, l'argile et la marne, les matières biologiques telles que les grainsde pollen, les diatomées, les mollusques, les cladocères, le charbon, les graines, etd'autres microfossiles d'origine végétale ou animale, et les produits chimiques tels queles acides aminés, les pigments, une grande variété d'éléments inorganiques, ainsi quedes éléments nutritifs tels que le phosphore et l'azote (Winter et Wright, 1977). Le faitque les sédiments d'un lac ou d'une retenue manifestent ou non un changement significatifde leur concentration en l'un quelconque de ces matériaux dépendra évidemment del'histoire de la retenue en question. Mais si une couche peut être identifiée et associéeà un évènement localisé dans le temps, on pourra approcher d'une façon assez précisel'historique de l'accumulation des sédiments.

3-2-3 La télédétection

La télédétection à basse altitude s'applique de plusieurs façons à l'étude de lasédimentation dans un réservoir. Des levés topographiques élaborés à partir dephotographies aériennes peuvent être utilisés afin de déterminer les volumes desédiments, à condition de pouvoir abaisser la retenue d'une façon importante. Laphotogrammétrie peut aussi aider à repérer les courants de turbidité, afin de déterminerla distribution des sédiments. Par ailleurs, l'hydrographie par laser aérien estactuellement cours d'expérimentation.

Les améliorations technologiques récentes de la photogrammétrie ont réduit le coûtde cette méthode par rapport aux études hydrographiques traditionnelles. L'U.S. Bureau ofReclamation estime que cette méthode est la plus rentable, à condition de pouvoirabaisser la retenue de façon importante (U.S. Bureau of Reclamation, 1975, p. 11). Lorsd'un nouveau levé topographique du réservoir de Gibson, dans l'état de Montana, auxETATS-UNIS. l'installation des repères horizontaux et verticaux a constitué la partie la

56

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 68: Sedimentation Unesco

plus coûteuse de l'opération, environ 53 % du coût total (U.S. Bureau of Reclamation,1975, p. 8). Les repères comprenaient des cibles au sol fabriqués dans un matériau decouleur blanche, ayant la forme d'une croix et qui mesuraient 4 m sur 4 m. La prise devue aérienne ne représentait que 9 % du coût total, tandis- que la restitutionphotogrammétrique en représentait 38 %.

Dans des situations où il est difficile d'obtenir un bon contrôle dans le sensvertical, on peut effectuer des photographies aériennes sans stéréo pour plusieursniveaux successifs de la retenue. Ainsi, les rives définissent à chaque fois une courbede niveau, et l'on peut élaborer une carte topographique à partir de la superposition dephotos prises pendant plusieurs vols.

Il est important de connaître l'emplacement et l'étendue des panaches turbides afinde prévoir l'évolution des matériaux à travers une retenue.

La photographie aérienne a été utilisée pour étudier les panaches turbides enrivière (Scherz et al., 1979) ainsi que dans un estuaire (Gatto, 1976, 1960).Malheureusement, la télédétection ne perçoit que les panaches en surface, et donc cetteméthode s'applique mal à des retenues où il est probable que les courants de turbidité semanifesteront sous la forme de courants au sein de la masse d’eau ou au fond. Bien queles résultats ne soient que qualitatifs, la télédétection utilisée pendant des crues peutaider à isoler les débits entrants qui apportent le plus de matériaux dans la retenue.Gatto (1980, p. 299) a constaté que la photographie en couleur est plus appropriée pourla détection des panaches turbides que celle à l'infra-rouge, car le choix del'exposition est moins critique et la pénétration dans l’eau meilleures

Certains chercheurs considèrent les avions télécommandés comme un moyen efficace etpeu coûteux pour obtenir des photographies aériennes. Un appareil ayant une envergure de2,50 m peut porter un appareil photo de type 35 mm jusqu'a une altitude de 300 à 400 m.Ces avions peuvent décoller et atterrir sur la surface de la retenue, et ils ont engénéral une portée de l'ordre de 3 km. Des ballons à hélium ont également été utiliséspour porter des appareils photo, et le développement récent des avions U.L.M. (Ultra-Légers-Motorisés) ouvre la porte à d'autres possibilités intéressantes.

L'hydrographie par laser est une nouvelle technique développée par le U.S. NationalOcean Survey ; elle est encore au stade des essais (Enabnit et alia, 1979). La techniquehydrographique de laser aérien utilise un système de laser à impulsions qui, porté parl'avion, effectue une masse de sondages distincts de part et d'autre de chaque ligne devol. Ce système mesure la profondeur de l'eau de la même façon qu'un sondeur acoustique,mais il utilise la lumière à la place du son. Le système du-National Ocean Survey qui estactuellement employé peut effectuer 600 sondages par seconde sur une bande large de 200m,avec une distribution moyenne d'un sondage pour 25 m2. Le système fonctionne à bord d'unavion léger qui vole à 300 m au-dessus de l'eau avec une vitesse de 75 m/s.

Le grand avantage de ce système est la possibilité qu'il offre d'effectuer denombreux sondages pendant une période très courte. Par exemple, Enabnit et alia (1979)estiment qu'avec un seul système, on peut étudier plus de superficie par an qu'avec laflotte entière du U.S. National Ocean Survey, tout en fournissant 300 fois plus desondages par unité de surface. Sa précision serait d'environ 0,15 m. Puisqu'il s'agitd'une technique optique, la profondeur de pénétration dépend de la clarté de l'eau. Lelong de la côte Atlantique des ETATS-UNIS, Enabnit et alia (1979) pensent que le systèmefonctionnera dans des profondeurs d'eau de l'ordre de 20 à 30 mètres.

Bien que ce système soit actuellement étudié pour des applications en milieu marin,son application potentielle aux études topographiques de retenues semble évidente.

57

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 69: Sedimentation Unesco

S-S DENSITE DES SEDIMENTS

La densité sèche des sédiments est égale du poids sec des matériaux par unité devolume. Par conséquent, la densité sèche permet de convertir très simplement le poids secdes sédiments en volume d'eau déplacée.

La densité sèche dépend surtout de la granulométrie des sédiments, mais ce rapportpeut se trouver modifié ai les particules sont triés selon leur dimension. D'autre part,une grande partie des sédiments (juaqu'à 50 %, voire plus) est parfois composée dematières organiques.

Les sédiments tendent également à se compacter à la longue, sous l'effet despressions de surcharge, mais aussi de l'alternance de mise à sec et d'immersion lors devariations du niveau de la retenue. Par conséquent, c'est dans la retenue qu'il estsouhaitable de mesurer la densité sèche des sédiments.

Habituellement, ces mesures sont effectuées à partir d'échantillons carottés.Plusieurs types d'appareils ont été utilisés pour prélever des échantillons intacts desédiments, afin de déterminer la densité sèche. la granulométrie ou les deux. Le choixd'un type d'appareil de prélèvement dépendra de la granulométrie, de la profondeur del'eau, du degré de compactage, et de l'épaisseur de la couche de sédiments. Le lecteurtrouvera un résumé excellent des appareils disponibles chez Guy (1978, p. 3-40).

La plus grande amélioration récente de ces appareils a bté probablementl'introduction des gaines de plastique qui aident à maintenir l'échantillon dans un étatrelativement intact, même lors de prélèvements d'échantillons de faible densité (Vanoni,1977, p. 358). Milisic (1981) décrit un instrument qui a été spécialement conçu pourl'étude de la densité des sédiments. Il s'agit d'un cylindre qui s'enfonce dans le dépôtet qui congèle l'échantillon. L'échantillon est ensuite ramené à la surface dans un étatconsolidé.

Parfois, au stade des études par exemple, il est nécessaire d'estimer la densité dessédiments d'une retenue sans pouvoir bénéficier de mesures in situ. Des relationsempiriques ont été mises au point entre la densité sèche, la granulométrie, et le tempsécoulé depuis le moment de la déposition. Aux ETATS-UNIS, un Comité Fédéral Inter-agencesa proposé des coefficients revus et corrigés pour l'une de ces relations (Guy. 1978, p.3-44).

La méthode traditionnelle qui utilise des prélèvements carottés pour. établir ladensité sèche est laborieuse et demande du temps. Pour cette raison, les sondes dedensité nucléaires se sont largement répandues. La réponse d'un détecteur de radiations àdes radiations gamma dispersées ou directes émises à partir d'une source radioactivedépend de la densité des sédiments. Les mesures peuvent être effectuées in situ ou surdes échantillons carottés.

Dans le cas d'une jauge dont le fonctionnement est basé sur la dispersion desradiations, la sonde comporte un émetteur de radiations et un détecteur. Le détecteurcompte le nombre d'impulsiona venant des radiations émises par les sédiments dans unvolume sphérique ayant un diamètre d'environ 40 à 50 cm autour de la sonde (Rapporteur onSediment Transport, 1981, p. 48). Ce type d'appareil est utilisé par l'Institut desSciences Océanographiques du Royaume Uni (Parker et alia, 1975) : il consiste en unscintillateur à cristaux de NaI (T1) installé à 20 cm d'une source de 1 mCi -de 137 Cs,elle-même installée au bout de la sonde. La réponse du scintallateur aux radiationsdirectes du 137 Cs est minimisée par la présence d'une protection intermédiaire.L'appareil peut être alimenté par une source de 12 à 24 volts continua ou de 220 voltsalternatifs. Avant son utilisation in situ, la sonde est étalonnée, afin que les relevés

58

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 70: Sedimentation Unesco

du jaugeur relié au scintallateur puissent être interprétés en termes de valeur dedensité sèche. La réponse du jaugeur dépend également de la composition des sédiments :l'étalonnage doit donc être effectué sur des matériaux similaires à ceux que l'on vamesurer. La précision des mesures effectuées par une sonde à émission gamma est de 0.22 x103 kg/m.

Les mesures à partir d'échantillons carottés doivent être effectuées de préférenceavec une jauge dont le fonctionnement est basé sur le principe. de la transmission

'directe. Quand la source de radiation est bien collimatée, il est possible d'obtenir unecourbe de mesures de densité à partir d'un échantillon carotté. Cependant, ai l'énergieélevée d'une source de 137 Cs limite les effets des variations de la compositionchimique, par contre elle rend aussi les mesures insensibles aux faibles variations de ladensité. Si ces variations présentent un intérêt, il est souhaitable d'employer unesource radioactive ayant une énergie gamma plus faible,, mais il convient alors decorriger avec soin les effets des variations de la composition chimique.

Si la transmission directe est détectée in situ, on installe la source et lescintillateur sur deux tubes séparés par une certaine distance. Cette distance serachoisie, après des essais préliminaires, en fonction de l'énergie de la sourceisotopique, de la compacité des sédiments, de la sensibilité du scintillateur, etc...L'avantage des appareils qui détectent la transmission directe est qu'ils permettent demesurer la densité. de couches minces (de. 2 à 3 cm d'épaisseur) et donc de déterminer lastratification des sédiments. Leur inconvénient est qu'ils nécessitent deux tubesséparés, qu'il faut enfoncer verticalement dans les sédiments avec un parallélismerigoureux. McHenry (1971) décrit une sonde de ce type qui est destinée à mesurer desdépôts peu profonds.

3-4 GRANULOMETRIE

Les données concernant la granulométrie sont utiles pour prévoir l'érosion, letransport, le dépôt et le compactage des sédiments. La connaissance de la granulométriedes matériaux entrants dans une retenue est très importante pour déterminer lamorphologie du dépôt solide ; c'est également l'un des paramètres les plus importantspour prévoir le volume qu'occupera une quantité ou une masse donnée de matériauxentrants. Puisque la qualité de l'eau constitue un critère de plus en plus important, ilfaut déterminer la partie fine (les limons et les argiles) de la courbe granulométriquetrès soigneusement, car ces matériaux jouent un rôle important d'adsorption et detransport de produits chimiques tels que les éléments nutritifs et les pesticides.

Les particules apportées dans une retenue ont des dimensions très variées. Lesgrosses et les moyennes particules (les graviers et le sable) se déposent presqueimmédiatement dès qu'ils entrent dans la retenue. La dimension de ces particules estanalysée selon des techniques traditionnelles qui ne seront pas traitées ici.

Les particules fines (les argiles, les limons et peut-être les sables fins) sontd'un intérêt primordial. Généralement, on mesure la dimension de ces particules à partirde leurs caractéristiques de décantation. Les appareils traditionnellement utilisés pourdéterminer la granulométrie par cette méthode sont la pipette, le tube à prélèvement parle fond, et le densimètre. La pipette est considérée comme étant l'outil le plus fiablepour la détermination de routine de la granulométrie des matériaux fins (inférieurs à0.062 mm). Les méthodes traditionnelles de décantation appliquées à la détermination dela granulométrie sont énumérées en détail par Vanoni (1977) et Guy (1969), et ne serontdonc pas évoquées davantage ici.

59

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 71: Sedimentation Unesco

Depuis quelques années, on a assisté au développement d'instruments électroniquesqui mesurent la granulométrie des matériaux fins, Parmi les premiers appareils de ce typefigure le Compteur Coulter (Coulter, 1956 ; Berg, 1957) qui enregistre une modificationde la conductivité électrique des particules pendant qu'elles passent à travers un petitorifice. L'impulsion de sortie est proportionnelle au volume de la particule. Cetinstrument peut mesurer le diamètre des particules d'une dimension comprise entre 0,0003et 0,3 mm. Il peut analyser un échantillon en 5 à 10 minutes, et il fournit des résultatsdétaillés sous forme de graphiques ou de tableaux (Schiebe et alia, 1981).

D'autres instrumenta détectent l'intensité et l'angle de la diffusion d'un rayonlaser par les particules en suspension (Wertheimer et alia, 1978 ; Haverland et Cooper,1981). Ces instrumenta sont très simples à utiliser, ils analysent un échantillon en 6minutes environ, et ils mesurent des particules d'une dimension comprise entre 0.0019 et0,176 mm. Les résultats apparaissent sous forme de tableaux, où sont rassemblées desvaleurs à la fois différentielles et cumulées, en plus des résultats récapitulatifs(Schiebe et alia, 1981).

Certains instruments électroniques fonctionnent à partir du principe de ladécantation par gravité des particules dans une petite cellule (Oliver et alia, 1970 ;Welch et alia, 1979). Le principe du fonctionnement est semblable à celui de la méthodede la pipette, si ce n'est que la concentration de la cellule est détectée par un rayon-X de faible intensité et d'une larguer de 0,050 mm (Schiebe et alia, 1981). Cetinstrument fonctionne entre 0,0001 et 0,l mm et produit une courbe de valeurs cumulées enune quinzaine de minutes (Schiebe et alia, 1981).

Tous les systèmes électroniques sont coûteux mais très commodes à utiliser. Il n'estpas toujours possible de comparer les résultats des différents instruments électroniquesentre eux, ni avec la méthode de la pipette (Schideler, 1976 ; Schiebe et alia, 1981).Allen (1981) donne davantage de détails sur la mesure de la taille des particulesdécantées.

3-5 LES COURANTS

Quand une rivière pénètre dans une retenue, la vitesse du courant diminuerapidement, et tous les matériaux grossiers se déposent, formant généralement un delta.Mais les matériaux très fins peuvent demeurer en suspension pendant de longues périodes,et sont transportés partout dans la retenue par ses courants internes. Les courants dansune retenue sont créés par le vent, par les différences de densité, et par l'écoulementde la rivière. Afin de prévoir la distribution des matériaux solides entrants, oud'estimer la capacité d'une retenue à retenir les sédiments, il est souvent souhaitablede mesurer la vitesse et la quantité de mouvement des courants dans une 'retenue. cesmesures sont effectuées à l'aide de moulinets, d'ancres flottantes et de traceurs.

L'utilisation d'un moulinet pour mesurer la vitesse du courant semble être laméthode la plus évidente. Cependant, mis à part le cas des forts courants de densité., lesrésultats fournis par un moulinet dans une retenue sont peu fiables, à cause des faiblesvitesses du courant (généralement inférieures à 0.1 m/s) et de la difficulté que présentel'installation du moulinet sur un support stable. Malgré des efforts considérables, peude progrés ont été faits dans la conception d'un moulinet fiable pour mesurer lescourants dans une retenue.

Du fait des variations verticales de la densité dûes à la température, à la salinitéou à la concentration en matériaux solides, les vitesses du courant dans une retenueprésentent une distribution verticale complexe. Les ancres flottantes sont relativementbien adaptées à la mesure des courants de surface, surtout en association avec la

60

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 72: Sedimentation Unesco

photographie aérienne. Cependant, elles sont moins efficaces quand il s'agit de mesurerdes courants de fond, du fait de la difficulté à prévoir la profondeur à laquelle setrouvera le courant le plus rapide. Néanmoins, on les utilise parfois, et dans certainscas on suit leur position à l'aide de radars.

Des traceurs fluorescents ont été utilisés avec succès pour déterminer la vitesse ducourant dans une retenue. Cette technique consiste à teinter une masse d'eau à l'aided'un colorant fluorescent, puis à étudier la position et la diffusion de bette masseteintée pendant une période donnée. Depuis quelques années, on a considérablementamélioré la portabilité et la sensibilité des fluoromètres utilisés pour mesurer laconcentration du colorant. En employant des fluoromètres modernes, il est maintenant""possible de détecter des concentrations de colorant aussi faibles qu'1 partie pour 10parties d'eau (Smart et Laidlow, 1977). La qualité des colorants sur le marché aégalement été améliorée. Les colorants modernes (tels que la rhodamine-WT) ont moinstendance à être absorbés par les matériaux solides que les anciens colorants. Enassociant des fluoromètres actuels portatifs et sensibles à des appareils modernes depositionnement, on doit pouvoir mesurer les vitesses de courant relativement facilementet avec précision. Keefer et Mc Quivey (1980) commentent les résultats d'une étude où uncolorant fluorescent a été utilisé pour déterminer les trajectoires dans une retenue etles temps de séjour en même temps que la vitesse et la nature de la diffusion latérale.

Un cas particulier est celui des très fortes concentrations de matériaux solides,par exemple en période de crues. Dans ce cas, le courant de densité est doté d'une telleforce qu'un moulinet suffit pour mesurer la vitesse du courant d'une façon efficace. Ilest généralement souhaitable de chasser la plupart de ces matériaux hors de la retenue,et il est donc nécessaire de déterminer la trajectoire du courant de densité à travers laretenue. On effectue généralement des mesures in situ pour déterminer cette trajectoireet pour prévoir la quantité de matériaux qui sera chassée. Pour cela, il faut obtenir desrenseignements sur le courant de densité non seulement dans la retenue proprement dite,mais également à l'entrée et à la sortie de la retenue.

Les mesures du débit entrant et du débit sortant sont similaires aux mesures dedébit effectuées dans une rivière, car il faut mesurer la vitesse et la concentration desolides en plusieurs points de l'hydrogramme. Ces données sont intégrées sur l'aire de lasection pour calculer les débita entrant solides et liquides. La température et lasalinité ont toutes chances d'être uniformes dans une section, mais elles peuvent varieravec le temps. Ces données peuvent être utiles pour situer le courant de densité dans la,retenue et aussi pour calculer la densité du débit entrant. En soustrayant de la quantitétotale des apports solides ceux qui sont chassés de la retenue, on obtient la quantité desédiments restant dans la retenue.

Afin d'utiliser les vannes de vidanges d'une façon efficace et d'étudier la façondont circulent les courants de densité, il faut effectuer des relevés dans plusieurssections choisies de la retenue. On constate généralement qu'un courant de densitéparcourt le chemin de l'ancien lit de rivière à travers la retenue. A chaque section eten plusieurs points de l'hydrogramme, on doit obtenir des profils de vitesse, deconcentration de matériaux, de température, et de quantité de matériaux dissous, cela surdifférentes verticales situées dans le courant de densité. Il faut également déterminerla direction du vecteur vitesse, la cote de l'interface du courant de densité, et lagranulométrie des matériaux en suspension et charriés. Puisque ces forts courants dedensité parcourent le fond de la retenue, la largeur du courant et la cote de l'interfacepeuvent souvent être déterminées à l'aide d'un aondeur acoustique utilisant un signal dehaute fréquence.

61

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 73: Sedimentation Unesco

3-6 TEMPS DE SEJOUR DANS LES RETENUES

Pour obtenir le temps de séjour moyen d'une masse d'eau dans une retenue trèshomogène, il faut simplement diviser le volume de la retenue par le débit entrant. Bienque le temps de séjour moyen soit utile pour calculer la capacité totale de la retenue etpour comparer la force des courants de la rivière à celle des courants créés par le ventet des courants de densité dans la retenue, il ne constitue pas une mesure précise dutemps qu'une masse d'eau donnée est susceptible de rester dans une retenue.

La plupart des retenues, surtout celles qui sont profondes ou qui manifestent destemps de transit moyens assez longs, tendent à développer une structure à stratificationverticale de densité. Cette structure dépend de la distribution verticale de latempérature, de la salinité, et des matériaux en suspension. Ces facteurs ont égalementune influence sur la densité de l'écoulement entrant. L'eau entrant dans la retenue tendà rejoindre un niveau tel que sa densité soit égale à celle de l'eau de la retenue. Leseaux qui pénètrent dans une retenue peuvent s'étendre et former une mince couche desurface (courant superficiel), plonger au fond (courant de fond), s'étaler à un niveauintermédiaire (courant intermédiaire), ou se mélanger à tous les niveaux ; cela dépendradu rapport entre leur densité propre et la distribution de densité de la retenue.

Quant aux eaux sortantes, elles sont évacuées à un niveau qui correspond aux vannesde vidanges utilisées. La hauteur de la tranche d'eau touchée par cette évacuationdépendra de la structure de densité dans la retenue. Si la stratification est trèsdéveloppée, cette tranche sera mince. Par contre, s'il y a absence de stratification lahauteur de la tranche évacuée peut atteindre toute la hauteur de la retenue. Les limitesde cette tranche peuvent être calculées à l'aide de méthodes développées par Bohan etGrace (1973). En définitive, selon le niveau où est réalisée l'évacuation et la structurede densité qui existe dans la retenue, les eaux qui pénètrent dans une retenue sont soitévacuées, soit dispersées partout dans la retenue.

D'une façon générale, il n'existe pas encore de méthodes analytiques capables deprévoir le temps de séjour d'une masse d'eau donnée dans une retenue. Une méthodeprometteuse repose sur l'utilisation de traceurs pour mesurer les temps de transit. Lamasse d'eau peut ainsi être identifiée soit à l'aide de traceurs naturels, soit à l'aidede traceurs artificiels tels les colorants employés par Keefer et Mc Quivey (1980).

62

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 74: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 75: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 76: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 77: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 78: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 79: Sedimentation Unesco

METHODES DE PRESERVATION DE LA CAPACITE TOTALE D'UNE RETENUE

4-1 METHODES POUR MINIMISER LA SEDIMENTATION DANS UNE RETENUE

4-l-l La conservation des sols comme moyen de minimiser la pénétration de matériauxsolides dans une retenue :

Deux méthodes de conservation des sols utilisées pour freiner l'érosion et lapénétration des matériaux solides dans une retenue sont : l'implantation de structuresanti-érosion et l'aménagement des sols dans le bassin versant.

On peut construire plusieurs types de structures dans le bassin ; par exemple, desbassins de rétention conçu5 soit pour retenir les matériaux solides définitivementpendant la durée de vie de l'ouvrage, soit pour stocker les matériaux solides provenantdu ruissellement créé par un certain nombre d'orages entre des vidanges périodiques ; desouvrages d'entonnement et de canalisation des rapides et des cascades pour la réductiondu ravinement ; le revêtement des berges pour réduire leur érosion, et des seuils ou desdéversoirs pour la stabilisation du lit.

Parmi les mesures d'aménagement des sols destinées à éviter l'érosion du bassinversant, on peut citer l'amélioration des sols, l'introduction de meilleures méthodesagricoles, l'utilisation du terrain par bandes de niveau, la culture en terrasses, etl'assolement.

Si le bassin versant en question n'est pas très grand, les effets de laconservation des sols se feront sentir très rapidement. D'après certaine5 expérience5réalisées aux ETATS-UNIS, on peut réduire l'érosion des sols de jusqu'à 95 % enemployant, exclusivement les méthodes traditionnelles de culture (Holeman. 1980). Maiss'il s'agit de vastes zones où les conditions naturelles sont mauvaises, l'efficacité desméthodes de conservation des sols ne sera pas si rapide. Cette efficacité ne peut pasêtre estimée avec précision pour les grands bassins versants.

Nous examinerons quatre exemples de programme de conservation des sols destiné àréduire le transport solide. Deux des exemples concernent des retenues, le troisième unréseau hydrographique, et le quatrième relate des études expérimentales faites sur unpetit bassin raviné.

(1) - La retenue de TUNGABHADRA (Rajan, 1982)

La retenue de Tungabhadra a été aménagée en 1953 sur la rivière du même nom enINDE. Les apports annuels varient entre 8 400 hm3. et 17 100 hm3, avec une moyenne de11 470 hm3. Le débit d'étiage est réduit à quelques m3/s.de 3,75 x 109 m3.

La capacité de la retenue estLt bassin versant au droit du barrage est de 28.178 km2. comprenant

14,5% de forêt,. 53 % de sols durs et 32.5 % de sols érosifs, y compris un sol dit de"coton noir". Lors de l'étude préliminaire,12.8 x 106 m3 par an.

on prévoyait un taux de sédimentation de

Des études topographiques des sédiments ont été effectuées dans la retenue en 1963,1972 et 1978. Le tableau 4.1 indique le volume de sédiments déposés pendant ces périodeset les taux d'envasement ramenés à l'unité de surface.

On constate à l'aide du tableau 4.1 que le taux d'envasement a diminué après 1963.Cette diminution s'explique en partie par la construction de barrages sur les affluents àl'amont de la retenue, ce qui a entraîné la rétention de matériaux solides, et aussi parl'aménagement des sols du bassin versant.

68

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 80: Sedimentation Unesco

Tableau 4.1 : Taux d'envasement dans le réservoir Tungabhadra

Des méthodes de conservation des sols telles que la construction de digues suivantles courbes de niveau et l'afforestation ont été introduites. Une zone de 4 571 km2, quicomportait par endroits des sols érosifs (notamment des sols de "coton noir"), a étéconsidérée comme la plus vulnérable et justifiable d'un traitement immédiat. En 1978, unezone de 3 075 km2 avait été traitée, dont 2 085 km2 par les méthodes de conservation dessols et 233 km2 par l'afforestation.

(2) - La retenue de Guanting

La retenue de Guanting, implantée en 1956 sur la rivière Yongding en CHINE du nord,possède un bassin versant de 43400 km2. Le module moyen annuel d'érosion est d'environ3.000 t/km2, avec une valeur maximale de 18.000 t/km2.est de 2,29 x 109 m3.

La capacité totale de la retenueLes apports annuels à la station de jaugeage de Guanting sont de

1,4 x 109 m3 et les apports solides annuels sont de 81 x 106 t.

Pendant les premières nées de l'existence de la retenue (1956-1960), le dépôtsolide atteignait 360 x 106 m3 par an. Depuis 1958, environ 300 barrages ont étéaménagés à l'amont de la retenue de Guanting avec une capacité totale de 1,5 x 10 9 m3.Le barrage de Cetian, situé sur la rivière Sanggan, est le plus important de cesouvrages. Son bassin versant de 16.700 km2, englobe 38 % du bassin versant de la retenuede Guanting. Plusieurs mesures de conservation des sols, dont le colmatage à l'aide d'uncourant de densité très concentré (le colmatage consiste à utiliser un courant chargé enmatériaux nutritifs pour l'irrigation de terres agricoles) ont entraîné une diminutiondes apports et du dépôt solides, comme le démontre le tableau 4.2.

69

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 81: Sedimentation Unesco

(3) - La rivière Eel (Serr, 1971)

La rivière Eel en CALIFORNIE présente un bassin versant d'environ 9 330 km2 et desapports moyens annuels d'environ 8 360 x 106 m3.

Tableau 4.3 : Diminution du taux d'envasement dans la retenue de Guanting

Le cour inférieur de la rivière Eel constitue l'une des rivières les plus boueuses dumonde. L'U.S.G.S. a estimé son débit solide moyen en suspension à environ 2 860 tonnes parkm2 du bassin par an. Pendant une crue d'une durée de deux semaines en Décembre 1964, plusde lOO.O0O.O0O tonnes de matériaux solides ont été transportées par la rivière Eel.

Des études ont été effectuées sur le bassin de la rivière Eel afin de déterminer lessources et les causes de la quantité élevée de matériaux. On a classé les sources desmatériaux solides en quatre catégories : les berges de la rivière, les glissements deterrain, l'érosion des plaques et des ravins, et les routes. Le bassin a été subdivisé encinq parties. Le tableau 4.4 résume le débit solide annuel estimé pour le bassin de larivière Eel par subdivision et par source d'érosion.

Le U.S.D.A. estime que. le débit solide du bassin de la rivière atteindrait presque1630 m3/km2 par an. Cela constitue le taux le plus élevé des ETATS-UNIS d'AMERIQUE pour unbassin de cette taille.

On peut séparer les mesures préconisées pour l'aménagement des sols en deuxcatégories : les mesures de redressement, et les principes de gestion. Les mesures deredressement ont été prises en compte pour chacune des quatre sources d'érosion. Lesseules mesures qui ont été jugées économiquement justifiables ont été celles qui visaient

70

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 82: Sedimentation Unesco

à enrayer l'érosion des surfaces et des ravins dans des prairies utilisées comme pâturagepar des propriétaires privés. On a préconisé l'ensemencement et la fertilisation d'uneétendue de pâturages naturels mesurant 1 085 km2 afin de favoriser la couverture végétaleet de réduire l'érosion de matériaux. On a également préconisé une nouvelle afforestationde 311 km2 de terrain déboisé.

Les mesures de redressement envisagées pour réduire l'érosion des berges comprenaientla construction de crip-dam drop structures et l'enrochement des berges. Pour empêcher lesglissements de terrain, on a envisagé l'installation de soutènements en béton et unecombinaison d'enrochement et de drains horizontaux. Pour freiner l'érosion des routes on aproposé l'installation de ponceaux et l'amélioration et la stabilisation du remblai, dudéblai et des fossés des routes par de divers moyens. Aucune de ces mesures correctivesn'a été jugée économiquement justifiable ni à l'échelle du bassin dans son ensemble ni àl'échelle des cinq subdivisions.

On a estimé que le programme d'aménagement des sols allait réduire' le débit solidedans le bassin à l'avenir d'environ 20 %.

(4) - Expériences dans un petit bassin ravineux

A partir d'approches empiriques pour la prévision de la quantité de matériauxproduits par l'érosion des surfaces et par le ruissellement plusieurs formules ont étéproposées, telles que 'la formule de l'Equation Universelle de la Perte des Sols, laformule "SDR", etc... Cependant, peu d'études ont été faites sur la prévision de l'érosiondûe au ravinement et de l'érosion des berges fluviales. Dans des régions arides et semi-arides, le ravinement semble être une source d'érosion importante. Des expériences ont étéeffectuées sur un petit bassin ravineux en tant qu'unité. Plusieurs mesures visant àréduire la perte des sols sont appliquées dans ce bassin (Gong et Jiang, 1979). Pendantles expériences, on a étudié les mesures suivantes :

a) Le terrassement des cultures.

b) L'afforestation.

c) L'implantation de prairies (culture de luzerne et de mélilot).

d) Un seuil anti-érosion.

e) Le détournement des crues pour faciliter le colmatage (la fertilisation du sol parles matériaux solides) et l'irrigation.

A partir des données statistiques relevées dans les zones expérimentales des ravinsde Chiuyan et de Hsintian, situés dans le nord-ouest de la CHINE, la figure 4.1 illustrel'influence exercée pendant chaque orage par le terrassement des champs, par les arbres(des caroubiers ayant un âge supérieur à quatre ans, ayant une voûte de feuillage d'unedensité supérieure à 60 %), et par la végétation des prairies. Dans la figure 4.1, lesordonnées représentent la profondeur du ruissellement (R) et la perte de sol (S') sur lemême type de terrain agricole pentu n'ayant pas encore été aménagé. Les abscissesreprésentent la profondeur diminuée de ruissellement (& R) et le poids de sol retenu ( AS') sur le même terrain à la suite de l'application des diverses mesures.

Les effets d'un seuil anti-érosion sont : 1) la rétention des matériaux érodés et ladiminution de la quantité de matériaux sortants par l'embouchure du torrent ; et 2)l'exhaussement et l'aplatissement du lit du torrent, ce qui ont pour résultat de freinerou d'arrêter les différents types d'érosion.

71

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 83: Sedimentation Unesco

Figure 4.1 : Effets de l'aménagement des pentes sur l'érosion(d'après Gong et alia. 1979)

1. Champ terrassé : surface horizontale avec bordures

2. Forêt : âge des arbres supérieur à quatre ans, densité du feuillage

> 60%

3. Prairie : culture de luzerne et de mélilot.

La figure 4.2. illustre la diminution de l'érosion des matériaux dans le ravin deChiuyuan. Le ravin de Chiuyuan présente un bassin versant de 70,l km2. Après plusieursannées de travaux anti-érosion, l'ensemble des champs terrassés, des forêts et desprairies totalisait 24.1 km2, c'est-à-dire 34,4 % du bassin versant. 318 seuils anti-érosion ont été implantés. D'après les observations faites pendant 18 années, le débitsolide moyen annuel à l'embouchure des torrents avait diminué d'environ 55 % en moyennepar rapport aux débits relevés avant les travaux. 9 % résultait de l'aménagement despentes et 46 % était dû à l'implantation des seuils anti-érosion. La capacité des terrainspentus à retenir les matériaux a augmenté d'une façon continue au fur et à mesure que lesaménagements ont été étendus, et elle a dépassé 20 %,récemment. Cependant, l'efficacitédes seuils anti-érosion dépend' de leur âge. Durant les premières années de leurimplantation, les seuils retenaient plus de matériaux que par la suite. Pour améliorerl'efficacité de ces ouvrages, il faudrait rehausser les seuils existants ou construire denouveaux seuils. Les effets étaient plus importants en période de sécheresse qu'en périodepluvieuse.

La figure 4.3 est une photographie des champs terrassés du conté de Wupu en CHINE.

72

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 84: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 85: Sedimentation Unesco

4-l-2 Le blocage et la rétention des matériaux par un écran de végétation

Un écran de végétation peut servir de façon efficace à empêcher les matériaux solidesde pénétrer dans une retenue. L'installation de tels écrans. qu'ils. soient artificiels ounaturels, à l'entrée d'une retenue, diffuse l'écoulement entrant, réduit sa vitesse etencourage la sédimentation. Ainsi, on peut capter une grande quantité de matériaux solidesà l'entrée de la retenue et les empêcher d'aller plus loin.

Il faut souligner ici que les sédiments déposés dans une zone de végétation du litmajeur d'un delta présentent les mêmes problèmes que ceux qui se déposent progressivementsur le delta lui-même suite à la construction du barrage. Les terres agricoles dans detels sites risquent d'être endommagées par la hausse de nappe phréatique. La constructionde digues pour maitriser les crues peut donc s'avérer nécessaire, surtout s'il y a desvilles ou des zones industrielles à l'amont de la retenue.

La plantation de tamaris le long de la rivière Pecos à l'amont du lac McMillan, auxETATS-UNIS, a entraîné une diminution de la sédimentation à partir de 1915 (Stevens,1936). La figure 4.4 illustre la perte progressive de la capacité d'origine (110,7 x106 m3) de cette retenue. Il est intéressant de noter l'aplatissage significatif de lacourbe à partir de 1915.

de la retenue

Figure 4.4 : Courbe représentant l'envasement du lac McMillan, aux ETATS-UNIS.L'aplatissage significatif de la courbe à partir de 1915 est attribuéaux effets de la plantation de tamaris dans la vallée à l'amont de laretenue (d'après Stevens, 1936).

Un deuxième exemple d'écran de végétation est fourni par la retenue d'Elephant Butte,aménagée sur le Rio Grande, aux ETATS-UNIS. Avant 1930, il y avait relativement peu detamaris implantés à l'amont de la retenue (Lara, 1960)..La propagation des tamaris dans laMiddle Rio Grande Valley s'est étendue entre 1935 et 1947.ont recouvert une zone supplémentaire mesurant 12,l x 106

Entre 1947 et 1955, les tamarism2 sur le cours du Rio Grande

entre Bernardo Bridge et San Marcial.

Ces arbres réduisent la vitesse d'écoulement de la rivière et retiennent une partieconsidérable des‘ matériaux qui se déposent ensuite au-dessus du niveau de la crêtedéversante du barrage.

74

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 86: Sedimentation Unesco

Le tableau suivant présente des données comparatives pour las dépôts solides au-dessus et en-dessous du niveau de la crête déversante :

Tableau 4.5 : Matériaux solides captés à l'entrée de la retenue d'Elephant Butte parun écran de végétation

Les effets de la végétation ont été décrits dans le rapport d'une étude topographiquede la sédimentation (Lara, 1960). La propagation des tamaris est un facteur important del'exhaussement du fond et du lit majeur du Rio Grande. Leur présence le long du lit de larivière accélère la formation de levées naturelles en réduisant la vitesse du courant prèsdes berges. Lors d'un débordement, les matériaux grossiers sont déposés dans la zone devégétation. De cette façon, la vitesse de formation des levées naturelles est accélérée,et la pente de ces levées est plus raide qu'elle ne serait sans la végétation. Lavégétation encourage le dépôt immédiat des matériaux près des berges, et elle diminue laquantité déposée plus loin dans le lit majeur.

Si un recoupement de méandres se produit, le nouveau passage créé à traversl'effondrement des levées naturelles sera plus large si ces levées sont couvertes devégétation. A l'aval de ce recoupement, la levée naturelle empêche la rivière de retrouverson ancien lit. La présence de végétation dans le lit majeur accélère la sédimentation, etsi la couverture de végétation est dense lors du recoupement, pratiquement tous lesapports solides de la rivière seront déposés dans cette zone.

La formation de levées naturelles et l'exhaussement du lit de la rivière entraînentl'émergence de zones marécageuses dans le lit majeur. Ces zones favorisent l'accroissementde la végétation. Si cette végétation est luxuriante, un bouchon de sédiments peut seformer et diviser la rivière en plusieurs branches. Cela favorise la sédimentation, ce quientraîne l'agrandissement du bouchon. Un bouchon se forme généralement lors d'une fortecrue, et une rupture de méandre se produit à un point où le lit de la rivière se situe àquelques dizaines de centimètres au-dessus du lit majeur. Quand la rivière est divisée enplusieurs branches, elle est incapable de creuser un seule branche pour acheminer l'eaudans ce tronçon particulier.

L'accroissement de la végétation entraîne l'inconvénient d'une plus forteconsommation d'eau. D'après Maddock (1948), la végétation accrue dans le cours supérieur aentraîné une consommation annuelle de 123 x 106 m3 d'eau par le transport (Maddock,1976). Cela représente une perte de presque 10 % des ressources annuelles en eau (Garde etalia, 1976).

Un troisième exemple du rôle joué par la végétation est présenté par la retenue deHongshan, sur la rivière Loaha, un affluent de la rivière Xiliao, dans le nord-est de laCHINE. Cette retenue polyvalente a une capacité de 2,5 x 10 9 m3, avec des apports annuels

75

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 87: Sedimentation Unesco

de 918 x 106 m3. Les apports solides annuels sont d'environ 43 x 10 6 tonnes, avec uneconcentration moyenne de matériaux transportés de 46,8 kg/m3, et un diamètre moyen departicule de 0,02 mm pendant la saison des crues.

La mise en eau de la retenue date de 1960. Entre 1960 et 1977. 475 x 106 m3 dematériaux solides se sont déposés. Entre 1966 et 1977, 95 % des matériaux transportésavaient été déposés à l'amont du profil no 13 (à 15 km du barrage), c'est-à-dire dans lelit majeur à l'entrée de la retenue où des plantes telles que Scirpus yagara, Typhalatifolia, etc... avaient formé un écran de végétation. Ces Plantes atteignaient jusqu'àun mètre en hauteur, et elles couvraient une surface de 4 km de large et de 15 km de long(Zhao; 1980). La figure 4.5 représente un profil en long du lit majeur, et la figure 4.6montre les diverses quantités de matériaux déposés à l'amont du profil n o 13.

Figure 4.5. : Lit majeur de la retenue de Hongshan (d'après Zhao, 1980)

76

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 88: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 89: Sedimentation Unesco

4-l-3 La dérivation des écoulements turbides

La construction de canaux ou de conduites de dérivation est une des principalesméthodes utilisées pour freiner l'entrée de matériaux solides dans une retenue. Engénéral, les plus fortes quantités de matériaux sont transportées par la rivière pendantles crues, surtout dans des régions arides ou semi-arides. Donc, par la dérivation d'unegrande partie de ces écoulements turbides à travers un canal ou une conduite, on peutéviter un envasement rapide de la retenue. Plusieurs projets de ce type sont décrits ci-dessous.

(1) La retenue de Huahan a été aménagée pour les besoins de l'irrigation sur un affluentde la rivière Hutuo, dans le nord de la CHINE.4,23 x 106 m3.

La capacité de la retenue est de

200x103Les apports annuels sont estimes à 5,91 x 10 6 m3 et transportent environ

m3 de matériaux solides.

En 1976, on a enregistré un volume de 2.26 x 10 6 m3 de sédiments déposes dans laretenue, c'est-à-dire qu'environ 54 % de la capacité totale était comblée. Le taux moyend'envasement annuel entre 1959 et 1976 a été de 130.000 m3 par an.

Afin de diminuer l'envasement de la retenue, un projet supplémentaire a étéenvisagée. Ce projet comportait la construction d'un petit barrage de maitrise des crues àl'entrée de la retenue, près de l'extrémité amont du remous, ainsi que l'aménagement d'uncanal destiné à la dérivation des écoulements turbides à l'aval du barrage pendant lessaisons de crues. Les écoulements turbides ainsi détournés seraient utilisés pour lecolmatage et pour l'irrigation.

Grâce à ce projet, la sédimentation a diminué d'une façon considérable. A partir demesures in situ, on a calculé un dépôt solide total de 50 x 10 3 m3 entre 1976 et 1981. Letaux d'envasement était d'environ 10 000 m3 par an, soit environ un treizième de lamoyenne annuelle avant 1976.

(2) Le réservoir de Tedzen a été aménagé en 1950 sur la rivière Tedsen dans leTurkmentistan en U.R.S.S., afin de satisfaire les besoins en irrigation, de protéger lesvilles de Tedzen et de Kirofsk des crues, et de fournir un pont pour le chemin de fer.

La rivière Tedsen coule sur une longueur de 1124 km avec des apports annuels de700 x 10 m3 et des apports solides annuels de 8,2 x 106 m3. La concentration moyenne dematériaux solides relevée pendant la saison des crues était de 16 à 20 kg/m3, avec unmaximum observé de 94 kg/m3. Pendant les crues, plus de 50 % des particules ont undiamètre inférieur à 0,01 mm.

La capacité d'origine de la retenue était de 177,2 xtopographique des sédiments a montré qu'un volume de 79 x 106

106 m3. En 1962, une étudem3 avait été comblé,

constituait une perte de 44 % de la capacité d'origine. Le taux d'envasement pour lapériode entre 1950 et 1962 était de 6,5 x 106 m3 par an.

Le taux d'envasement extrèmement élevé et la diminution rapide de la capacité de laretenue de Tedzen créaient une réelle menace d'inondation des villes et du chemin de fer.On a construit un canal de dérivation des crues qui partait à l'amont de la retenue deTedzen pour passer ensuite à côté de la retenue de Hays-Hansk et en-dessous du chemin defer au moyen d'un ponceau. On a pu ainsi divertir en moyenne 28 % de l'eau des cruesturbides. Une partie de ces eaux pénètre dans la retenue de Hayz-Hansk, mais la majeurepartie est évacuée à l'aval, ce qui produit une diminution moyenne annuelle du dépôtsolide d'environ 2,3 x 106m3 (Hachaturian et alia, 1966)

78

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 90: Sedimentation Unesco

Ville de TedzenCanalRetenue de TedzenBarrage de dérivation des cruesCanal de dérivation des cruesRetenue de Hayz-Hansk

Figure 4.7 : Croquis de la retenue de Tedzen et son canal de dérivation.

(3) En Suisse, on a implanté à plusieurs endroits des galeries de dérivation des crues quiprennent l'eau à l'amont de la retenue pour l'évacuer directement à l'aval du barrage(Comité National SUISSE des Grands Barrages 1982).

En 1974, on a ajouté une galerie de dérivation à l'entrée de la retenue de Palagnedraafin d'évacuer les écoulements turbides directement à l'aval du barrage. La galerie dedérivation, longue de 1 760 m, présente une section de 30 m2 et une pente de 2 %. Lacapacité d'évacuation est de 225 m3/s. Cet aménagement est représenté dans la Figure 4.8.

Figure 4.8 : Croquis de la retenue de Palagnedra et sa galerie de dérivation (d'aprèsle Comité National SUISSE des Grands Barrages, 1982) -(1) le barrage - (2) la retenue - (3) la galerie de dérivation des cruesturbides - (4) la rivière Melezza.

79

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 91: Sedimentation Unesco

Un projet de galerie de dérivation pour la retenue de Gebidem a été abandonné pourdes raisons économiques.

(4) Un projet similaire a été réalisé en SUISSE où l'on a aménagé un barrage et unegalerie de dérivation à l'amont de la retenue d'Amsteg sur la rivière Reuss. Cet ouvrage aété inauguré en 1922 pour les besoins d'énergie électrique. Reed (1931) a décrit le projeten détail :

"Le barrage d'Amsteg, haut de 32 m, a une capacité de seulement 197 000 m3:Le bassinversant au droit du barrage est de 404 km2. et le débit de la rivière Reuss varieentre un minimum de 1.98 m3/s et un maximum de 396 m3/s pendant les crues. Afind'empêcher les matériaux transportes par la rivière de pénétrer dans la retenue, unegalerie de dérivation a été construite à côté de la retenue (Figure 4.9). La galerie,longue de 305 m. présente une section de 20,9 m2 et une capacité d'évacuation de221 m3/s. L'écoulement à travers la galerie est contrôlé par des vannes, pour quel'écoulement dans la retenue suffise seulement à satisfaire les besoins deproduction. Pendant la période d'étiage, le débit total de la rivière passe à traversl'ouvrage, transportant peu de matériaux. En période de crues, environ un tiers dudébit total est déversé par-dessus le barrage de dérivation et pénètre dans laretenue. Ce tiers constitue la partie superficielle de l'écoulement qui ne transporteque des matériaux fins, tandis que la majeure partie de l'écoulement, qui estfortement chargée en matériaux, est évacuée à travers la galerie. Trois années aprèsl'installation du barrage et de sa galerie, le dépôt solide mesuré dans la retenueétait insignifiant".

Rivide crue

Figure 4.9 : Croquis de la retenue d'Amsteg avec sa galerie de dérivation (d'aprèsReed, 1931).

La construction d'une galerie parallèle à une retenue coûte très cher. La présenceprès d'une retenue de caractéristiques topographiques favorables à l'installation d'unpetit canal ou d'une galerie de dérivation présente une valeur économique inestimable.

Il semblerait qu'il soit souvent économiquement rentable d'installer des structuresde dérivation quand il s'agit d'ouvrages ayant une faible capacité, pour lesquels il fautmaintenir une hauteur d'eau constante. Une telle installation présente égalementl'avantage de minimiser l'usure dûe aux matériaux solides subie par les turbines etd'autres machines.

80

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 92: Sedimentation Unesco

4-2 METHODES POUR EVACUER LE MAXIMUM DE MATERIAUX SOLIDES

4-2-l Le contrôle de l'écoulement pendant les crues

Le contrôle de l'écoulement pendant les crues a pour but d'évacuer un maximum dematériaux solides en utilisant la capacité de transport des crues. Généralement, on régulel'écoulement en évacuant les crues à travers les vidanges de fond, de façon contrôlée(avec une ouverture partielle des vannes) ou de façon non-contrôlée (ouverture totale).

Lorsque le niveau d'eau d'une retenue est en hausse suite à une crue, le débit solidesortant de la retenue est toujours inférieur au débit solide entrant, grâce à l'effet deremous et à la diminution consécutive de la vitesse d'écoulement des eaux de crue.Inversement, pendant la période d'abaissement de la retenue, dans l'absence d'un effet deremous, le débit solide sortant est souvent supérieur au débit solide entrant, grâce àl'érosion qui se produit dans la retenue.

Dans les paragraphes qui suivent il sera question des différents aspects del'évacuation de crues dans certaines retenues, et des caractéristiques de l'écoulement àtravers une retenue. Nous espérons que cette étude conduira à une meilleure compréhensionde leurs propriétés physiques.

A - Debit contrôlé

(1) La retenue de Heisonglin (Zhang et alia, 1976)

L'abaissement d'une retenue pendant la saison des crues par des lâchures d'eauturbide est une pratique courant en CHINE. Ce type d'opération est basé sur le faitqu'entre SO et 90 % des apports solides annuels sont transportés par la rivière pendantles mois de Juillet et d'Août. alors que pendant la même période il ne se produit qu'entra25 et 50 % des apports annuels. Cela est un phénomène typique du nord de la CHINE, qui estune région aride caractérisée par des dépôts de loess.

La retenue de Heisonglin est une petite retenue sur un affluent du Fleuve Jaune(Hoang-Ho) dans le nord-ouest de la CHINE. Lors de sa construction en 1959, le barrage,d'une hauteur de 45 5 m.réduite à 5,87 x 10 6

présentait une capacité initiale de 8,6 x 106 m3, qui étaitm3 en 1973. Les apports annuels sont de 14 200 000 m3. Avant le mois

de Juillet 1962, la retenue servait à stocker l'eau, ce qui a entraîné un tauxd'envasement élevé. A partir du mois d'août 1962, l'exploitation de la retenue a étémodifiée : on abaissait le niveau d'eau pendant la saison des crues et on stockait l'eauen dehors de la saison des crues.. Le taux d'envasement a diminué pour atteindre 93 000 m3par an.

L'ouvrage comporte une vidange de fond ayant une capacité d'évacuation de 10 m3/s.

D'après les hydrogrammes d'une période de crue survenue dans la retenue d'Heisonglin(Figure 4.10), il apparaît que le débit solide sortant s'est maintenu pendant plus de24 heures, tandis que la pointe du débit solide entrant n'a duré qu'environ 5 ou 6 heures.Le débit entrant hautement concentré est resté dans la retenue, formant une masse d'eauboueuse devant le barrage. Les matériaux fins ont décanté très lentement dans cetenvironnement hautement concentré. Par conséquent, les concentrations de matériaux solidessortants de la retenue étaient plus élevées, entre 150 et 750 kg/m3.

81

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 93: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 94: Sedimentation Unesco

Ce mode d'exploitation qui consiste à stocker l'eau claire en dehors de la saison descrues, à lâcher l'eau boueuse pendant la saison des crues, et à détourner l'eau boueusepour les besoins d'irrigation et de colmatage peut non seulement diminuer la tauxd'envasement, et donc préserver la capacité utile d'une retenue à long terme ; mais ilpeut aussi permettre l'utilisation des sédiments et de l'eau des crues pour la productionagricole.

(2) La retenue de Honglingjin

La retenue de Honglingjin, située dans le nord de la CHINE et d'une dimensionmoyenne, est exploitée d'une façon analogue. Le barrage mesure 42 m en hauteur, et laretenue présente une capacité totale de 16 600 000 m3. Les apports annuels sont de43 200 000 m3. Le débit est régule par l'abaissement de la retenue pendant la saison descrues, ca qui est illustré par la Figure 4.11. Pendant l'année hydrologique en question,entre le 15 Juin et la fin du mois d'Août 1974, le niveau d'eau a été abaissé afin dechasser les sédiments déposés dans la retenue.

(3) La retenue de Sanmenxia

Le troisième exemple est une retenue de grande capacité. Les opérations de chasse ontété appliquées à la retenue de Sanmenxia environ 10 ans après l'achèvement du barrage dela gorge de Sanmen (Zhang et Long, 1961).

Pendant les chasses, la transport solide s'effectuait soit dans un écoulement libresoit dans un courant de densité. Le rapport entre la quantité de matériaux sortants et laquantité de matériaux entrants était généralement supérieur dans le cas de l'écoulementlibre par rapport au courant de densité.

La retenue de Sanmenxia se situe sur le cours moyen du Fleuve Jaune (Hoang-Ho). Lebarrage de la gorge de Sanmen constitue un élément d'un ensemble hydraulique à plusieursvocations Lors de son inauguration en 1960, les apports moyens annuels étaient de43,2 x 109 m3, dont 60 % entraient dans la retenue pendant la saison des crues entre lesmois de Juillet et Octobre. Les apports solides annuels étaient de 1,6 x 10 9 tonnes, avecune concentration moyenne annuelle de matériaux en suspension de 37.8 kg/m3, et uneconcentration maximale atteignant 933 kg/m3.

L'ouvrage se situe dans une gorge à 114 km à l'aval de Tongguan. Tongguan, qui est auconfluant du Fleuve Jaune et la Rivière Wei Ho constitue une section de contrôlehydraulique, car le lit à cet endroit mesure seulement 1 km en largeur, tandis que lalargeur dans la zone de confluence dépasse 10 km. Le niveau de la rivière au point deconfluence est considéré comme le niveau de base local pour l'érosion. Le niveau à lasection de contrôle influence également l'écoulement et le mouvement des matériaux solidesdans le cours supérieur du Fleuve Jaune ainsi que dans celui de la rivière Wei HO àl'amont de Tongguan (Figure 4.12).

L'histoire de l'exploitation de l'ouvrage de Sanmenxia peut être décrite en cinqétapes chronologiques.

Apres l'achèvement du barrage, la retenue a été utilisée pendant six mois pourstocker l'eau. Le niveau à la section de contrôle de Tongguan s'est élevé suite auremplissage de la retenue et à la sédimentation dûe au remous. Ensuite la sédimentations'est étendue de plus en plus loin vers l'amont. Dans le remous de la rivière Wei Ho, ladépôt solide s'étendait à 250 km a l'amont du barrage, c'est-a-dire à 136 km à l'amont deTongguan. Ce dépôt a entraîné un exhaussement du niveau de la rivière Wei Ho de même quedu niveau de la nappe phréatique dans cette région. Ces phénomènes ont rendu la maitrisedes crues et le travail agricole plus difficiles dans la région.

Entre 1960 et 1962, la retenue s'est sérieusement envasée, car la capacité des

83

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 95: Sedimentation Unesco

Doc

umen

t pro

duit

par

reco

nnai

ssan

ce o

ptiq

ue d

e ca

ract

ères

(O

CR

). D

es e

rreu

rs o

rtho

grap

hiqu

es p

euve

nt s

ubsi

ster

.P

our

accé

der

au d

ocum

ent d

'orig

ine

sous

form

e im

age,

cliq

uez

sur

le b

outo

n "O

rigin

al"

situ

é su

r la

1èr

e pa

ge.

Page 96: Sedimentation Unesco

Doc

umen

t pro

duit

par

reco

nnai

ssan

ce o

ptiq

ue d

e ca

ract

ères

(O

CR

). D

es e

rreu

rs o

rtho

grap

hiqu

es p

euve

nt s

ubsi

ster

.P

our

accé

der

au d

ocum

ent d

'orig

ine

sous

form

e im

age,

cliq

uez

sur

le b

outo

n "O

rigin

al"

situ

é su

r la

1èr

e pa

ge.

Page 97: Sedimentation Unesco

Il était évident que l'existence de la retenue était sérieusement menacée par ceprocessus d'envasement. Par conséquent, il fallait d'abord modifier l'exploitation, et unereconstruction des vidanges a donc été entreprise.

Après 1962, bien que l'on ait modifié l'exploitation de la retenue en abaissant sonniveau pendant la saison des crues,3,72 x 109

le taux d'envasement demeurait encore élevé, etm3 de matériaux supplémentaires se sont déposés jusqu'en Juin 1966. Cela s'est

produit pendant la deuxième étape de l'exploitation.

Il fallait de toute évidence augmenter la capacité d'évacuation du barrage afin de

86

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 98: Sedimentation Unesco

diminuer l'envasement dans la retenue, ainsi que d'abaisser le niveau du lit à Tongguanafin de l'imiter l'extension du dépôts solide vers l'amont dans le remous de la rivière WeiHo. Un système de chasse amélioré permettrait de réguler le régime des débits sortants etde diminuer l'alluvionnement du Fleuve Jaune à l'aval du barrage

Depuis cette période, plusieurs mesures ont été adoptées afin d'améliorer la capacitéd'évacuation du barrage (Figure 4.13). Deux galeries ont été creusées le long de la rivegauche à une hauteur de 290 m, et 4 des 8 vannes à glissières ont été transformées enpertuis de chasse. Entre 1970 et 1973, 8 des 12 dérivations provisoires situées à 280 m dehauteur, qui avaient servi pendant la construction du barrage, ont été réouvertes.

Pendant la troisième étape de l'exploitation, entre Juillet 1966 et Juin 1970. suiteau creusement des galeries et à la transformation des vannes à glissières, 82,5 % desmatériaux solides entrants ont été évacués par l'abaissement du niveau de la retenuependant la saison des crues. Cependant, le niveau du lit à Tongguan. la section decontrôle au point de confluence, montait toujours du fait de la sédimentation dans leremous.

Lors de la réouverture des- dérivations provisoires pendant la quatrième période(entre Juillet 1970 et Octobre 1973). le mode d'exploitation consistait à retenir lescrues et à chasser les sédiments. Le rapport entre les matériaux sortants et les matériauxentrants a-atteint 105 %, et le niveau du lit à la section de contrôle de Tongguan abaissé de près de 2 m.

Suite à l'abaissement de la cote à l'amont du barrage, les groupes hydroélectriquesont atteint environ 20 % de la production prévue (qui exigeait une cote constante de360 m).

Pendant la cinquième étape. puisque' la capacité. d'évacuation avait étéconsidérablement augmentée, la retenue pouvait servir à maitriser les grandes crues, Enrégulant le niveau d'eau, on pouvait également minimiser la sédimentation dans le remous àTongguan. Cela a pu freiner-la sédimentation vers l'amont de la rivière Wei Ho. La retenueservait aussi à maitriser les embâcles, ainsi qu'à fournir de l'eau pour l'irrigation etpour la production d'électricité an stockant l'eau en dehors de la saison des crues. Lerapport entre les matériaux sortants et les matériaux entrants a été ramené à environ100%, c'est-à-dire à un équilibre à l'annéel'érosion, afin de maintenir la capacité i

ou à long terme entre la sédimentation etut le de la retenue. Dans de telles conditions

d'exploitation, les sédiments sont chassés de la retenue pendant les crues par des débitslargement supérieurs à ceux d'avant la reconstruction, comme en témoignent les Figures4.15 et 4.16.

Pour conclure, les crues sont utilisées pour chasser les sédiments de la retenue deSanmenxia afin d'en minimiser la sédimentation, ce qui préserve la capacité à long termeet qui augmente la capacité de transport solide du Fleuve Jaune à l'aval.B - Ecoulement non-contrôlé

L'écoulement et la circulation des matériaux solides dans une retenue de maitrise descrues ressemblent à ceux des retenues où l'eau et les matériaux solides sont évacuéspendant la saison des crues.

Dans une retenue à sec, dont le barrage sert uniquement à maitriser les crues, onassiste souvent à la naissance de houles. Lorsque le niveau d'eau monte, des houles secréent, et des matériaux solides sont déposés suite à l'effet de remous. Quand le niveaud'eau commence à baisser, la vitesse de l'écoulement augmente et ces sédiments sontérodés. On appelle ce type d'érosion dans une retenue une érosion régressive, carl'érosion progresse toujours vers l'amont pendant un abaissement rapide du niveau d'eau.Lors de ce phénomène, la majeure partie des sédiments déposés auparavant à l'amont dubarrage sont érodés, ou la majeure partie des matériaux entrants sont transportés à

87

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 99: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 100: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 101: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 102: Sedimentation Unesco

travers la retenue et évacués immédiatement.

(1) La sédimentation dans les retenues de Germantown et Englewood

Dans une étude sur la sédimentation dans des retenues de la vallée de la rivièreGreat Miami dans le sud-ouest de l'état de l'Ohio aux ETATS-UNIS, Curtis (1,968) a étudiécinq barrages servants à la rétention d'eau uniquement en cas d'apports excessifs. Lesretenues sont fermées par des barrages d'une hauteur entre 20 et 34 m, et chaque barragecomporte des vidanges non-contrôléas à ouverture fixe. L'eau est stockée seulement pendantles crues, et ce stockage ne dure habituellement que quelques jours. Dans ces conditions,la quantité de matériaux déposés est minime. Parmi les cinq barrages étudiés, seuls ceuxde Germantown et d'Englewood contenaient une quantité significative de sédiments. Cettesédimentation a été attribuée au rapport relativement faible entre les débits sortants etles débits entrants en période de crue, en comparaison avec les trois autres retenues. Letableau 4.7 montre la sédimentation en voie d'envasement.

Tableau 4.7. : Taux de décantation pour les barrages de rétention de Germantown etd'Englewood

(2) La retenue de Sanmenxia pendant la période de dérivation provisoire avant l'achèvementdu barrage

Il serait utile d'introduire ici quelques données concernant la sédimentation etl'érosion dans la retenue de Sanmenxia pendant la courte période de stockage en 1959. Acette époque, 12 dérivations provisoires servaient à évacuer les crues pendant laconstruction du barrage, lorsque le remous s'étendait à environ 40 km à l'amont. Figure4.17 représente les hydrogrammes du débit et de la concentration en matériaux solides desécoulements entrants et sortants.

A plusieurs reprises pendant l'année 1959, on a mesuré la hauteur du lit en utilisantla méthode des profils. La figure 4.18 représente le schéma de la sédimentation nette lelong de la retenue entre Mars et Septembre 1959. Ces sédiments s'étaient déposés lors dela montée du niveau d'eau. En comparant les quantités de sédimentation et d'érosion danschaque profil, on peut calculer le dépôt solide net et le taux d'envasement de la retenuedans son ensemble. La figure 4.19 présente deux exemples de profils en travers (n° 18 et20) mesurés pendant la phase de sédimentation et la phase d'érosion. Dans le profil leplus large (n° 20), le lit majeur, crée par la sédimentation survenue entre les mois deMars et d'Août, a résisté à l'érosion pendant la vidange effectuée entre les mois de

91

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 103: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 104: Sedimentation Unesco

Doc

umen

t pro

duit

par

reco

nnai

ssan

ce o

ptiq

ue d

e ca

ract

ères

(O

CR

). D

es e

rreu

rs o

rtho

grap

hiqu

es p

euve

nt s

ubsi

ster

.P

our

accé

der

au d

ocum

ent d

'orig

ine

sous

form

e im

age,

cliq

uez

sur

le b

outo

n "O

rigin

al"

situ

é su

r la

1èr

e pa

ge.

Page 105: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 106: Sedimentation Unesco

Septembre et Novembre (figure 4.19). Le lit majeur se composait entièrement de matériauxdéposés pendant la saison des crues de 1959. Cependant, dans le profil plus étroit (no 18)pratiquement tous les sédiments ont été érodés pendant la vidange.

(3) L'érosion dans la retenue de Sanmenxia en 1964 (des vannes ayant été ouvertes endehors de la saison des crues)

Un autre exemple d'érosion régressive s'est produit dans la retenue de Sanmenxia en1964. Les variations du niveau de la retenue, ainsi que les concentrations de matériauxdans les différents profils, sont tracées dans la figure 4.20. Les hydrogrammes de laconcentration dans l'écoulement sortant de la retenue présentent des taux de suspensionsupérieurs-B ceux mesurés dans le profil n° 22 (situé à 42,3 km à l'amont du barrage). Cestaux sont eux-mêmes supérieurs à ceux mesurés dans le profil no 41 (situé à 113,5 km àl'amont du barrage). Le taux d'érosion semblerait être plus élevé dans la zone compriseentre le barrage et le profil situé à 42,3 km que dans la zone comprise entre 42,3 et113,5 km, ce qui tend à prouver que la plus forte érosion s'est produite à proximité dubarrage. Cela est une caractéristique typique de l'érosion régressive. La figure 4.21illustre clairement ce phénomène. Elle consiste d'une série de profils du niveau d'eau(plancher) de la retenue, où l'on constate qu'il y a une plus forte érosion à proximité dubarrage que vers l'entrée de la retenue.

95

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 107: Sedimentation Unesco

Doc

umen

t pro

duit

par

reco

nnai

ssan

ce o

ptiq

ue d

e ca

ract

ères

(O

CR

). D

es e

rreu

rs o

rtho

grap

hiqu

es p

euve

nt s

ubsi

ster

.P

our

accé

der

au d

ocum

ent d

'orig

ine

sous

form

e im

age,

cliq

uez

sur

le b

outo

n "O

rigin

al"

situ

é su

r la

1èr

e pa

ge.

Page 108: Sedimentation Unesco

Lors d'une érosion régressive, la largeur en surface du lit principal érodé dépend del'importance du débit, comme c'est le cas dans des cours stables destinés à l'irrigation.et suivant la loi des rapports géomorphiques entre la largeur et le débit d'une rivière.Le rapport entre la largeur et le débit est illustré par la figure 4.22.

Ddbit (@/a)

Figure 4.22 : Le rapport entre la largeur du lit et le débit.

(4) La retenue de Guanting pendant la période de dérivation

La retenue de Guanting a servi de retenue de dérivation provisoire en 1954. La figure4.23 présente des hydrogrammes des débits entrants et sortants, de la concentration desécoulements entrante et sortants, et du diamètre moyen, mesurés dans la retenue deGuenting. Les profils en travers du lit principal formé par l'érosion régressive setrouvent à droite dans la figure 4.23. On peut constater que lors d'une baisse de niveau,l'érosion s'est développée, accompagnée d'une augmentation de la concentration dematériaux et du diamètre moyen, et un lit profond s'est formé à la suite de cette érosion.

(5) La retenue de Naodehai

La retenue de Naodehai est une retenue encaissée située sur la rivière Liuhe dans unerégion aride dans le nord-est de la CHINE. Le barrage comportait à son inauguration deuxrangées de vidanges sans vannes, dont une située près du fond. En 1970, des vannes ont étéinstallées afin de rendre l'eau plus claire pour l'irrigation en dehors de la saison descrues. Avant 1970, la retenue servait surtout à la maitrise des crues. D'après les études,une crus d'un débit de 3 500 m3/s pouvait être ramenée à 1 640 m3/s, et une crue de5OOOm3/s dans le cours aval de la rivière pouvait être réduite à 3 500 m3/s, afin d'éviterun désastre dans le cours inférieur de la rivière Liuhe.

La rivière Liuhe, très chargée en matériaux solides, transporte une concentrationmoyenne annuelle de 77 kg/m3. Pendant la saison des crues, la retenue a stocké les grandescrues entrantes. Lors de la montée de la cote de la retenue, la sédimentation s'estétendue au lit majeur du fait de la diminution de la vitesse de l'écoulement. Lorsque lacote a rapidement baissé après le passage de la pointe de la crue, il s'est produit uneforte érosion Agressive vers l'amont, accompagnée d'une forte concentration de sédimentsdans l'écoulement sortant. Les débits liquides et solides associés à trois pointes de

97

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 109: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 110: Sedimentation Unesco

crues en Juillet 1963 sont illustrés dans la figure 4.24. Les caractéristiques détaillésde la quantité considérable de matériaux déposés se trouvent dans le Tableau 4.8. Cettepériode de crue constitue une des deux saisons de crues extraordinaires qui se sontproduites en 1949 et encore en 1963 après l'achèvement du barrage.

Figure 4.24 : Débits liquides et solides sortants et entrants retenue deNaodehai, Juillet 1963.

Il est intéressant de noter que les quantités de matériaux solides évacués pendantchacune des trois10 x 10 6 T.

crues étaient du même ordre de grandeur, c'est-à-dire d'environ

Le volume de la retenue, mesuré par la méthode des profils entre 1942 et 1972 (lafigure 4.25), a subi des modifications périodiques. Il a diminué dans les années de fortescrues (1949 et 1963). puis augmenté progressivement après chacune de ces deux années. Levolume de la retenue a été récupéré grâce surtout à l'érosion régressive, après 1949 et1963, lorsque l'écoulement a emporté les matériaux déposés dans le lit majeur et dessédiments ont été évacués de la retenue.

La capacité utile à long terme d'une retenue consiste principalement du volume du litmineur en-dessous du niveau du lit majeur. Ce volume peut être maintenu par la régulationde l'écoulement et des matériaux solides dans la retenue (Fan et Jiang, 1980). Lesmodifications de la capacité totale de la retenue de Naodehai, illustrées dans la figure4.25, reflètent un phénomène d'élargissement et d'approfondissement du lit résultant d'uneérosion régressive poursuivie année après année. Cela est également illustré par la figure4.26, qui montre les variations verticales du talweg pendant certaines années après 1949.Le lit de la rivière a été affouillé par une érosion qui a duré 8 ou 9 ans, et son niveauavoisinait celui du talweg en 1940, avant la construction du barrage.

99

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 111: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 112: Sedimentation Unesco

Figure 4.26 : Le talweg dans la retenue de Naodehai.

Bien qu'une érosion efficace du lit de la rivière se soit produite, le niveau du litmajeur de la retenue n'a pas baissé. Il a même continué à subir l'alluvionnement comme lafigure 4.27 le démontre.

Fan et Jiang (1980) ont développé un modèle mathématique et des méthodes de calculpour l'érosion régressive. Ces méthodes peuvent être utilisées pour calculer la quantitéde sédiments érodés lors d’un abaissement rapide de la cote de la retenue.

4-2-2 La chasse par vidange

La vidange d'une retenue est une méthode fréquemment employée pour freiner lasédimentation ou pour encourager une érosion des sédiments afin de récupérer du volume.Cette méthode est 'notamment utilisée pour des retenues destinées à la productiond'électricité. L'efficacité de la chasse des sédiments dépend de la situationtopographique de la retenue, de la capacité d'évacuation des vidanges, de la hauteur desvidanges, des caractéristiques des matériaux solides entrants, du type d'exploitation, dela durée de l'opération de chasse, du débit de la chasse, etc... On examinera cinqexemples :

(1) - La sédimentation dans la retenue du barrage hydro-électrique d'Ouchi-Kurgan(Zyrjanov, 1973)

La retenue d'ouchi-Kurgan en U.R.S.S.,de 56,4 x 106

longue de 17 km, présente une capacité totalem3 et une tranche morte de 20 x 10 6 m3. L'ouvrage est destiné à

l'irrigation et à la production d'énergie. Le barrage comporte 8 vidanges de fond.situées à 20,8 m en-dessous du niveau de la prise d'eau, et qui ont une capacitéd'évacuation de 350 m3/s avec une chute maximale de 35 m.

Afin de maintenir la réserve utile, on a envisagé pendant l'étude du projetd'abaisser la cote de la retenue de 5 m pendant la saison des crues, car la capacitétotale est relativement

6petite par rapport au débit solide entrant. Les apports solides

annuels sont de 12 x 10 tonnes de la chasse.

101

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 113: Sedimentation Unesco

Doc

umen

t pro

duit

par

reco

nnai

ssan

ce o

ptiq

ue d

e ca

ract

ères

(O

CR

). D

es e

rreu

rs o

rtho

grap

hiqu

es p

euve

nt s

ubsi

ster

.P

our

accé

der

au d

ocum

ent d

'orig

ine

sous

form

e im

age,

cliq

uez

sur

le b

outo

n "O

rigin

al"

situ

é su

r la

1èr

e pa

ge.

Page 114: Sedimentation Unesco

Figure 4.28a : Plan de la retenue d'Ouchi-Kurgan (d'après Zyrjanov, 1973)

1 - Barrage2 - Station de jaugeage3-58 - no de profil

La retenue a commencé à stocker l'eau en Octobre 1961. Depuis 1963, on exploite laretenue en abaissant chaque année la cote de 4 à 5 m pendant la saison des crues (du moisde Mai au mois d'Août), afin de freiner l'envasement de la retenue. La figure 4.28bmontre les variations de la cote, de la quantité de matériaux entrants en suspension, dudébit entrant, et du volume de sédiments dans la retenue. Après 1968, il n'y a plus eu deperte de capacité, comme le démontre le trait no l de la figuredépôt solide dans la retenue se trouvent dans la figure 4.28c.

4.28b. Les profils du

Figure 4.28b : Volume de sédiments accumulés dans la retenue d'Ouchi-Kurgan (d'aprèsZyrjanov, 1973)

1 -Cote de l'eau2 - Quantité annuelle de matériaux entrants en suspension3 - Débit de la rivière4 - Volume de sédiments déposés dans la retenue

103

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 115: Sedimentation Unesco

1 - 19572 - Juin 19623 - Septembre 19634 - Octobre 19645 - Octobre 19656 - Septembre 19667 - Octobre 19678 - Octobre 19689 - 20 Juillet 1969

Profil n°

Figure 4.28c : Retenue d'Ouchi-Kurgan - Modifications de la sédimentation.

La figure 4.26d démontre que la concentration en matériaux de l'écoulement sortantétait inférieure à celle de l'écoulement entrant, et qu'aucune érosion ne s'est produitedans la retenue. Autrement dit, l'efficacité des chasses n'était pas entièrementsatisfaisante.

Figure 4.28d :

1 - Cote de l'eau2 - Débit3 - Concentration de matériaux

dans l'écoulement entrant4 - Concentration de matériaux

dans l'écoulement sortant

Retenue d'Ouchi-Kurgan - Hydrogrammes de la cote de l'eau, du débitet de la concentration en matériaux solides en 1944.

104

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 116: Sedimentation Unesco

Le débit optimum pour une chasse de sédiments, régulé pendant une courte périodedurant une vidange, a été estimé à plus de 1 000 à 1 500 m3/s pour la retenue d'Ouchi-Kurgan.

(2) - La retenue de Zemo-Afchar (Gvelessiani et alia, 1968)

L'usine hydro-électrique de Zemo-Afchar, située à l'aval de la confluence de larivière Kura et la rivière Aragvi. a été achevée en 1927. La retenue, dont le plan estreprésenté dans la figure 4.29a, se constituait d'un remous d'une longueur de 8 km dansla rivière Kura et de 1,8 km dans la rivière Aragvi.

‘R

Figure 4.29a : Plan de la retenue de Zemo-Afchar (d'après Gvelessiani, 1968)

1 - Rive d'origine 4 - Canal de dérivation2 - Rive en 1967 5 - Prise d'eau3 - Barrage 6 - Canal d'amenée

Deux vidanges de fond d'une largeur totale 'de 15 m sont utilisées pour les besoinsd'évacuation. Le débit moyen annuel au droit du barrage est de 210 m3/s,matériaux en suspension est de 4 x 10 6 m3,

la quantité deet les matériaux charriés mesurent plus de

300,000 m3.

Après 40 ans d'une exploitation sans doute mauvaise, la retenue avait perdu 80 % desa capacité totale. Pendant les deux premières années d'exploitation, la capacité totalea diminué de 22 % par an, et pendant les 8 années suivantes, 32 % supplémentaire a étéperdue. Entre 1937 et 1954, c'est-à-dire pendant 18 ans, la capacité d'origine a diminuéencore de 3.5 %. Avant l'année 1940, la cote de l'eau a été partiellement baisséed'environ 2,3 m, mais la chasse n’a pas été efficace.

On a envisagé une vidange totale de la retenue, afin de chasser les sédiments.Chaque opération de 'chasse comportait deux phases : premièrement une vidange partielle,suivie par une vidange totale.

105

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 117: Sedimentation Unesco

Figure 4.29b : Courbes montrant l'envasement cumulé dans la retenue de Zemo-Afcharentre 1926 et 1955.

La figure 4.29c présente les variations des concentrations en matériaux solides etdes volumes évacués pendant des chasses effectuées le 9 Juillet 1961 (Q = 130 m3/s) et le3 Juin 1962 (Q = 285 m3/s).

Pendant la vidange partielle du 9 Juillet, le débit de chasse était de 10 500 m3/h,tandis que le 3 Juin il était de 4 000 m3/h. Pendant la deuxième phase des deuxopérations de chasse, ce débit était de 54 000 m3/h, c'est-à-dire infiniment supérieur.

La figure 4.29d présente quelques détails d'opérations de chasse effectuées à despériodes différentes. A plusieurs reprises, la chasse la plus efficace ne s'est pasproduite immédiatement, mais seulement après quelques heures. La chasse était efficaceimmédiatement lorsque les vidanges ont été ouvertes complètement pendant le marnage.

Les données des figures 4.29c et 4.29d justifient la décision d'effectuer lesopérations de chasse lors d'une vidange totale. La figure 4.29d démontre qu'un débit derivière d'environ 400 à 500 m3/s fournit les conditions optimales pour l'évacuation dessédiments.

Le tableau 4.9 présente des données détaillées sur 38 opérations de chassehydraulique pendant une vidange complète de la retenue. Environ un million de m3 desédiments (entre 0,5 et 2 millions de m3) ont été évacués en moyenne chaque année.

On peut tirer quelques conclusions générales à partir de l'exemple de la retenue deZemo-Afchar :

a. Un débit de chasse d'entre 400 et 500 m3 fournit les conditions optimales pourune évacuation efficace des sédiments. Quand le débit dépasse cette valeuroptimale, son efficacité diminue à cause des effets de remous. Si le débit estinférieur à cette valeur, l'érosion diminue, car la force tractrice del'écoulement de chasse est en-dessous de sa valeur maximale.

106

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 118: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 119: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 120: Sedimentation Unesco

b.

C.

Pendant une opération de chasse, l'érosion la plus active ne se produit qu'aprèsune période de 8 à 10 heures.

On peut pallier A une diminution de l'efficacité de la chasse en remplissantpartiellement ou totalement la retenue pendant une courte durée, afin de procéderensuite à une vidange totale.

(3) - Des opérations de chasse dans la retenue de Khashm El Girba (El Hag, T, 1980,El Fatih Saad, A, 1980)

Le barrage de Khashm El Girba. situé sur la rivière Atbara au SOUDAN, a été achevéen 1964. Sa capacité d'origine était de 950 x 106 m3. L'eau était destinée àl'irrigation, à la production d'électricité, et aux besoins en eau potable. La capacitéde la retenue a été considérablement diminuée par l'envasement dû A des apports solidesmoyens annuels d'environ 84 x 10 6 tonnes.

Le tableau 4.10 présente quelques détails sur les opérations de chasse par vidangeayant été effectuées en Juillet 1971 et en 1973.

Tableau 4.10 : Opérations de chasse dans la retenue de Khashm El Girba

D'après El Hag (1960) et El Fatih Saad (1980). la quantité de sédiments évacuéependant chacun des deux mois de Juillet (1971 et 1973), y compris pendant les périodes dechasse, a été de 86 x 106 tonnes, ce qui dépasse la quantité moyenne annuelle estiméed'apports solides. Malheureusement, il n'existe pas de données plus détaillées sur cesujet.

(4) - La retenue de Shuicaozi

La retenue de Shuicaozi et son usine hydro-électrique sont situées dans le sud-ouestde la CHINE. La capacité de la retenue est de 9,58 x 10 6 m3, le barrage a une hauteur de36,9 m, et la retenue mesure 6 km de long,

Le débit moyen annuel au droit du barrage est de 16,3 m3/s et le débit utilisé pourproduire l'électricité est de 29 m3/s. L'écoulement entrant est régulé par une retenue àl'amont. Le débit solide en suspension est estimé A 600 000 tonnes par an, et le débitcharrié égale 30 000 tonnes par an.

Afin d'utiliser l'eau provenant du bassin versant situé entre le barrage A l'amontet la retenue de Shuicaozi ainsi que celle provenant du barrage A l'amont, il était

109

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 121: Sedimentation Unesco

nécessaire d'assurer une capacité utile de 3 600 000 m3. Entre le mois de Juin 1958 et lemois de Janvier 1981, 6 180 000 m3 de sédiments se sont déposés dans la retenue, ce quireprésentait 85 % de sa capacité totale. Le volume restant de 1 400 000 m3 ne suffisaitpas à la régulation du débit.

Depuis 1965, on a effectué plusieurs essais de vidange de la retenue de Shuicaoziafin d'entrainer l'érosion des sédiments. L'eau sortante passe par un évacuateur de cruedont le sommet se situe à 2 089 m. La cote maximale de la retenue est de 2 100 m et laprise d'eau est située à 2 O88 m. Une vidange est donc limitée par la hauteur del'évacuateur de crue. Une opération de chasse est souvent effectuée pendant deux ou troisjours durant le festival de printemps quand l'usine ne fonctionne pas.

Un débit d'environ 50 m3/s, destiné spécialement à l'opération de chasse, est lachéde la retenue située à l'amont de la retenue de Shuicaozi. La hauteur de l'évacuateur decrue fixe la cote minimale derrière le barrage à environ 2 090 m. L'intervalle effectifentre chaque période de chasse est de moins d'une journée. La concentration maximale ensédiments enregistrée ne dépasse pas 200 kg/m3. Le tableau 4.11 présente des détailsconcernant les débits pendant les chasses par vidange partielle ou totale de la retenueen 1965, 1966, 1974, 1978, 1980 et 1981. On peut constater que pendant une périoded'érosion d'un à deux jours, 200 000 m3 de sédiments peuvent être évacués chaque année.Cela représente un tiers des apports solides annuels. Derrière le barrage, deux mètresd'érosion se sont produits, mais aucune érosion ne s'est produite à 4 km à l'amont dubarrage.

La quantité évacuée est limitée, premièrement parce que les matériaux fins seconsolident, deuxièmement parce que les matériaux charriés se déposent dans la partiesupérieure de la retenue, et troisièmement à cause de la hauteur élevée de l'évacuateurde crue à travers lequel le débit de chasse doit passer.

La figure 4.30 présente des profils en long du talweg avant et après la chasse. Lafigure 4.31 montre les variations du débit et de la concentration de sédiments pendant lachasse par vidange.

(5) - L'évacuation de sédiments dans la retenue de Guernsey (Jarecki, 1965)

Le barrage de Guernsey sur la rivière North Platte, aux ETATS-UNIS, a été achevé en1927. La retenue sert à stocker l'eau pour l'irrigation, à réguler les lâchures desbarrages à l'amont, et à produire de l'électricité. La capacité au niveau de la crête(1 347 m) est de 91 x 10 6 m3. La longueur de la retenue est de 23,5 km. Le bassinversant à l'amont du barrage de Guernsey mesure environ 42 000 km2, et la zonefournissant les matériaux solides a évolué de 14 200 km2 en 1927 (à l'aval du barrage dePathfinder) à 14 000 km2 en 1938 (à l'aval du barrage d'Alcove) et à environ 1 800 km2 en1957 (à l'aval du barrage de Glendo).

Avant la construction du barrage, les canaux d'irrigation dans la zone de la rivièreNorth Platte recevaient une grande quantité de matériaux solides depuis plusieurs années.Le nettoyage des canaux constituait un problème majeur, mais les fuites par percolationsemblaient minimes. Apres l'implantation en 1927 du barrage de Guernsey et de sa retenue,des lâchures d'eau claire tendaient à favoriser les fuites par percolation et l'érosiondes berges dans les canaux.

Jusqu'en 1957, la retenue était sujette à un taux très élevé d'envasement , et aprèstrente ans d'exploitation elle avait perdu 39,3 % de sa capacité d'origine.

Une vidange de la retenue a été effectuée afin d'augmenter la quantité de matériauxsolides contenus dans les lâchures.

110

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 122: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 123: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 124: Sedimentation Unesco

Doc

umen

t pro

duit

par

reco

nnai

ssan

ce o

ptiq

ue d

e ca

ract

ères

(O

CR

). D

es e

rreu

rs o

rtho

grap

hiqu

es p

euve

nt s

ubsi

ster

.P

our

accé

der

au d

ocum

ent d

'orig

ine

sous

form

e im

age,

cliq

uez

sur

le b

outo

n "O

rigin

al"

situ

é su

r la

1èr

e pa

ge.

Page 125: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 126: Sedimentation Unesco

Pendant la vidange. le débit entrant dans la retenue variait entre 56.6 et 198 m3/slors des lâchures contrôlées provenant de la retenue de Glendo à l'amont. Des expériencesont démontré que l'évacuation des sédiments était plus importante lorsque la cote del'eau était basse, c'est-à-dire lorsque la capacité de la retenue était réduite.

Les figures 4.32 et 4.33 illustrent le rapport entre la capacité de la retenue et laquantité de matériaux évacuée. La figure 4.34 présente des profils en long des dépôts desédiments.

En mesurant la concentration en matériaux des écoulements entrants et sortants, on aconstat6 que la concentration de l'écoulement sortant était toujours inférieure maisqu'une érosion s'était produite au fond de la retenue. Un affouillement limité s'estproduit pendant des vidanges de la retenue effectuées entre 1960 et -1962. comme ledémontre la figure 4.34.

Le rapport entre la quantité de sédiments évacués et la quantité d'eau lachée étaittrès faible :

Dans le cas de la retenue de Guernsey, la quantité d'eau utilisée pour lesopérations de chasse n'était pas économiquement justifiable par rapport à la quantité desédiments évacuée.

Dans plusieurs retenues en U.R.S.S., destinées surtout à la productiond'électricité, on effectue des vidanges régulièrement afin de chasser les sédiments et derécupérer une partie de la capacité d'origine (Qian, 1982). Le rapport eau-matériauxvarie entre 30 et 50, avec une valeur maximale de 100. D'après des données enregistréesentre 1939 et 1966 pour des périodes de chasse d'une durée d'un à deux jours à l'usine deZemo-Afchar, on arrive à un rapport eau-matériaux allant de 8 à 83. Ce rapport s'élèvependant des périodes de chasse ayant une durée de trois jours (1949, 1954).

Le tableau 4.12 résume l'efficacité des opérations de chasse citées dans cetarticle, à l'aide des rapports eau-matériaux.

On peut constater que les chasses à travers l'évacuateur de crue consomment plusd'eau que celles passant par des vidanges de fond. Il est évident que la chasse de laretenue 'de Guernsey n'est pas économiquement rentable, du fait de la quantité d'eaurequise ; quoique la faible concentration de matériaux dans l'écoulement sortant puissefavoriser la diminution des fuites par percolation et de l'érosion des berges dans lescanaux.

A l'usine hydro-électrique de Shuicaozi également, les opérations de chasse ne sontpas rentables. L'eau utilisée pour les opérations de chasse provient d'une autre usine àl'amont, et donc la chasse entraîne une perte de production. Si le barrage comportait desvidanges de fond, il est certain qu'une plus grande quantité de sédiments serait évacuéeet qu'un volume supplémentaire serait récupéré.

114

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 127: Sedimentation Unesco

Doc

umen

t pro

duit

par

reco

nnai

ssan

ce o

ptiq

ue d

e ca

ract

ères

(O

CR

). D

es e

rreu

rs o

rtho

grap

hiqu

es p

euve

nt s

ubsi

ster

.P

our

accé

der

au d

ocum

ent d

'orig

ine

sous

form

e im

age,

cliq

uez

sur

le b

outo

n "O

rigin

al"

situ

é su

r la

1èr

e pa

ge.

Page 128: Sedimentation Unesco

Doc

umen

t pro

duit

par

reco

nnai

ssan

ce o

ptiq

ue d

e ca

ract

ères

(O

CR

). D

es e

rreu

rs o

rtho

grap

hiqu

es p

euve

nt s

ubsi

ster

.P

our

accé

der

au d

ocum

ent d

'orig

ine

sous

form

e im

age,

cliq

uez

sur

le b

outo

n "O

rigin

al"

situ

é su

r la

1èr

e pa

ge.

Page 129: Sedimentation Unesco

Tableau 4.12 : L'efficacité des opérations de chasse par vidange.

4-2-3 Les courants de densité comme moyen de chasse

L'évacuation des courants de densité est considérée depuis longtemps comme uneméthode efficace pour diminuer le taux d'envasement d'une retenue.

Dans les années 20, on a effectué des essais qualitatifs dans des canaux vitrés enlaboratoire afin d'étudier la possibilité d'évacuer des courants de densité, en employantune eau turbide pour simuler un courant de densité (Smrcek, 1929) et de l'eau salée à laplace de l'eau froide (Schoklitsch, 1929). Ces expériences s'accordaient à des évènementsréellement observés dans des lacs et des retenues (Forel, 1885). La figure 4.35représente la partie antérieure d'un courant de densité dans un canal vitré enlaboratoire.

Lorsque l'existence des courants de densité a été reconnue, des chercheurs onteffectué des observations in situ pour de nombreuses retenues. Certains courants dedensité ont parcouru plus de 100 km avant d'être évacués par la vidange de dérivation aubarrage du lac Mead, aux ETATS-UNIS, ce qui montre le rôle potentiel que peut jouerl'évacuation des courants de densité dans la lutte contre l'envasement d'une retenue. Laretenue de Sautet en FRANCE, les retenues de Metka et de Groshnitza en YOUGOSLAVIE, et laretenue de Nulek en U.R.S.S. (Mihailova et alia, 1975 ; Pyrkin et alia, 1978) illustrentce phénomène.

La section suivante traitera de quelques données mesurées qui démontrent l'existencedes courants de densité dans des retenues. On peut estimer la quantité de sédimentsévacuée de la retenue, par rapport au débit solide entrant, selon la méthode utiliséepour effectuer les mesures in situ. En outre, nous examinerons la procédure techniquepour l'évacuation d'un courant de densité d'une retenue.

4-2-3-l Caractéristiques des courants de densité dans la retenue d'Elephant Butte- - - - - - -

On a reconnu l'existence des courants de densité dans la retenue d'Elephant Butte(Fiock, 1934) à l'aide de plusieurs observations :

118

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 130: Sedimentation Unesco

Figure 4.35 : La partie antérieure d'un courant de densité dans un canal vitré enlaboratoire mesurant 50 m de long, 0,5 m de large et 2 m de haut.L'épaisseur moyenne de ce courant de densité est d'environ 0,23 m,et la profondeur totale de l'eau est d'l m. (Photo de l'Institut dela Conservation de l'Eau et de la Recherche sur l'Energie Hydro-électrique, Beijing, CHINE, 1959).

(1) L'enfoncement de l'eau chargée en matériaux en-dessous de l'eau claire s'estproduite dans une zone située entre 21 et 23 km à l'amont du barrage. Une lignede démarcation très nette séparait l'eau turbide de l'eau claire plus à l'aval.

(2) Entre 2 et 5 jours après l'entrée d'une eau de crue fortement chargée enmatériaux (ayant une concentration entre 4 et 10 pourcent de la masse) dans lapartie supérieure de la retenue, une eau turbide ayant une concentration de 2 à6 % a été évacuée par la vanne de vidange du barrage. Ces évacuations turbidesn'ont duré d'habitude que quelques jours. Les temps de transit des courants dedensité entre l'entrée et la sortie de la retenue ont été de 2 à 5 joursenviron.

(3) Pendant l'évacuation de l'eau turbide par les vannes de vidange, la températurede cette eau a immédiatement grimpé à 6° F (3,3° C) et la concentration en selssolubles a augmenté considérablement. Lorsque l'eau sortante redevenait claire,ce qui s'est généralement produit très rapidement, sa température estredescendue à la température habituelle des eaux sortantes pendant cette saison.La concentration en sels solubles est également redescendue à une valeurhabituelle pour la retenue.

119

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 131: Sedimentation Unesco

(4) Plus de 10 m de sédiments s'étaient accumulés au droit du barrage. En étudiant

4-2-3-2 Le lac Mead- - -

Le lac Mead est une retenue créée par la construction du barrage de Hoover sur larivière Colorado, aux ETATS-UNIS. En 1935, sa capacité était de 38,4 x lO9 m3 (jusqu'enhaut des vannes de l'évacuateur de crue lorsqu'elles sont en position haute) et laréserve utile égalait 34,5 x 109 m3. Les apports annuels étaient d'environ 16 x 109 m3.Les apports solides moyens annuels dans le Grand Canyon étaient d'environ 155 000 000tonnes. La figure 4.36 est une photographie du point de submersion d'un courant dedensité dans le lac Mead.

des renseignements concernant le débit entrant (provenant surtout de deuxaffluents, le Rio Puero et le Rio Salodo) et le débit sortant, on peut noter desvaleurs analogues pour les deux débits pendant certains événements spécifiques.Cette similarité s'explique par la présence de courants de densité parcourant laretenue avant d'en être évacués. Le tableau 4.13 présente Un résumé del'activité de ces courants de densité (d'après Lane, 1954).

D'après des mesures effectuées par Resch (Lane, 1954) sur un profil en travers à300 m à l'amont du barrage, la concentration en limons, la concentration en selset la température varient toutes trois dans un sens vertical (voir le tableau4.14). Cela tend à confirmer l'hypothèse selon laquelle le courant de densité aufond provient du débit entrant pendant la crue.

Figure 4.36 : Point de submersion d'un courant de densité. Un bateau à moteurs'approche du point où l'eau boueuse de la rivière Colorado (en bas àdroite) disparaît sous la surface bleue du lac Mead (Bureau ofReclamation, ETATS-UNIS).

120

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 132: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 133: Sedimentation Unesco

Tableau 4.14 : Profils de la température, de la concentration en sels et en matériauxsolides mesurés a C.S. à 300 m à l'amont du barrage.

En 1935 et 1936, environ 21 périodes de courants de densité ont été étudiées (Groveret Howard, 1938). D'autres ont été étudiées pendant les années à suivre par le NationalResearch Council, et par le Bureau of Reclamation, comme la figure 4.37 le démontre(Smith et alia, 1960). Une augmentation de la quantité de sédiments au droit du barrageet une élévation de la surface des sédiments tendent à prouver l'existence d'un courantde densité allant jusqu'au barrage.

D'après l'hydrogramme des débits solides sortants et entrants, le rapport entre ledébit solide en suspension sortant et le débit solide en suspension entrant varie entre0,18 et 0,39. Les caractéristiques suivantes du courant de densité du lac Mead sontimportantes :

122

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 134: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 135: Sedimentation Unesco

(1)

(2)

La concentration en matériaux solides de l'écoulement influence de façonimportante la trajectoire du courant de densité sur le fond et son évacuation,de la retenue. Il semblerait qu'une concentration inférieure à 1 % de la massene suffit pas à maintenir assez de mouvement pour qu'un courant de densitépuisse atteindre le barrage du lac Mead. Voir les pointes de crues en Avril,Septembre et Octobre 1935 et en Avril, 1936 (les figures 4.38 et 4.39).

La figure 4.38 trace la concentration en matériaux entrants ayant un diamètreinférieur à 0,02m à la station de jaugeage du Grand Canyon. Elle met en valeur

Figura 4.38 : Hydrogrammes du débit et de la concentration en matériaux solides,1935, le lac Mead.

le rôle joué par les particules fines dans le maintien des courant8 dedensité. Il faut noter l'absence de matériaux solides évacués par la stationde Willow Beach entre les mois de Mai et Août, du fait de la faible quantitéde particules fines dans. l'écoulement entrant. Cependant, la fréquence desincendies en Septembre et Octobre favorise la présence de courants de densité.

4-2-3-3 La retenue d'Iri1 Emda (Duquennois, 1959. Raud, 1958, a. b,)- - - -

Le barrage d'Iri1 Emda a été construit sur l'Oued Agrioun en ALGERIE afin deproduire de l'électricité. Il mesure environ 61 m de haut, et son volume est d'environ150 x 106 m3. La mise en eau du barrage date de Septembre 1953.

124

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 136: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 137: Sedimentation Unesco

Huit petites vannes de 400 mm de diamètre, qui contournent les principaux pertuis dechasse, sont ouvertes en alternance afin d'éviter une utilisation fréquente des pertuisde chasse.

On a mesuré le poids de sédiments évacués pendant chaque année-hydrologique (du 1erseptembre au 31 Août). D'après Duquennois (1959), entre 1953 et 1958, de 45 a-60 % desapports solides entrants ont été évacués. Pendant la première année d'exploitation,seulement 25 % des apports solides entrants ont été évacués, ce qui était dû en partie aufait que le seuil des vannes se trouvait à 7 m au-dessus du fond. Le tableau 4.15présente des données concernant l'efficacité des opérations de chasse entre 1953 et 1958.

4-2-3-4 Les courants de densité dans la retenue de Guanting- - - - - - - -

Le barrage de Guanting a commencé à écrêter les crues pendant la saison des crues de1953, et il a servi à stocker l'eau à partir du mois d'Août 1955. Pendant la périoded'écrêtement des crues, c'est-à-dire avant Août 1955, la cote de la retenue fluctuait defaçon considérable. La retenue a été entièrement vidangée à plusieurs reprises.

Pendant la période d'écrêtement des crues, les vannes des pertuis étaient en généralpartiellement ouvertes. Par contre, pendant la période de stockage elles étaient fermées,ce qui avait pour effet de retenir les eaux de crues, de diminuer la pointe de la crue etd'évacuer une certaine quantité d'eau à l'aval du barrage. Parfois les vannes ont étéouvertes pendant une courte période afin de vidanger la retenue et de récupérer unecertaine capacité de stockage pour les crues à venir. Lors de ce type d'exploitation dela retenue, 268.3 x 106 tonnes de sédiments se sont déposés dans la retenue entre 1953 et1957, ce qui correspondait à 63,4 % du total des apports solides. Les matériaux évacuésde la retenue se divisaient en deux catégories : ceux qui étaient érodés du fond de laretenue et ceux contenus dans des courants de densité.

Quand la retenue servait au stockage entre 1956 et 1957, les matériaux sortants dela retenue provenaient entièrement des courants de densité évacués. La quantité dematériaux évacués représentait 8,3 % du total des apports solides pendant les deux annéesen question.

En ce qui concerne les courants de densité, il est préférable d'étudier le rapportentre les matériaux entrants et sortants pendant une crue spécifique, plutôt que pendantune année.

Le tableau 4.15 fournit des détails concernant plusieurs périodes de courants dedensité.

Les figures 4.40 et 4.41 montre les variations longitudinales, les variationstransversales de vitesse et les concentrations en matériaux solides des courants dedensité dans la retenue de Guanting.

Quand les vannes des pertuis sont fermées, un courant de densité s'arrête aubarrage, rendant la retenue boueuse.

A partir de données provenant de mesures in situ et d'expériences en laboratoire, ona pu analyser les conditions nécessaires à son maintien jusqu'au barrage et à sonévacuation si la vanne est ouverte à temps (Fan, 1962).

126

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 138: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 139: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 140: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 141: Sedimentation Unesco

4-2-3-5 Les courants de densité dans la retenue de Sanmenxia- - - - - - - -

Après l'achèvement du barrage en Septembre 1960. la retenue a commencé à stockerl'eau. Des courants de densité ont été mesurés à partir de la saison des crues de 1961.

Les hydrogrammes de la figure 4.42 montrent les concentrations en matériaux-entrantset sortants. La figure 2.7c trace les profils de vitesse et la concentration en matériauxdes courants de densité mesurés entre le 16 et le 18 Août, 1961.

Afin de mesurer l'instabilité d'un courant de densité, des observations des profilsde vitesse et de la concentration en matériaux ont été effectuées à plusieurs reprisessur de nombreux sites. A partir de ces renseignements, il est possible de calculerl'épaisseur d'un courant de densité. La figure 4.43 trace des données obtenues pendantles crues du mois d'Août 1961. Elles démontrent l'existence d'un courant de densitéinstable, ce qui correspond aux variations de l'écoulement entrant enregistrées à lastation de Tongguan, située à 114 km à l'amont du barrage (figure 2.7a).

Le Courant de densité a pu former un remous en heurtant un barrage submergé créé parun glissement des berges survenu à 15 km à l'amont du barrage. Par conséquent, le courantde densité a probablement été nettement diminué avant son évacuation de la retenue (voirle tableau 4.15) pendant la période entre le 2 et le 18 juillet 1961. Sans l'existence dece barrage submergé, les courants de densité auraient transporté davantage de matériauxpendant les deux premières périodes de crue. car il n'y aurait pas eu diminution ducourant du fait de ce barrage, et le fond aurait été plus pentu (voir la figure 4.44). Lebarrage submergé a rendu le fond moins pentu pour les courants de densité à suivre, etdonc diminué leurs vitesses. Cela a entraîné une diminution de la quantité de matériauxsolides évacués de la retenue.

Le rapport entre les matériaux entrants et sortants dans un courant de densité enpériode de crue va de 0,18 à 0,21 dans la retenue de Sanmenxia dans des conditionsnormales, c'est-à-dire sans remous des courants de densité et sans exhaussement de lacote pendant des crues.

4-2-3-6 La retenue de Fengjiashan- - -

La retenue de Fengjiashan a été aménagée en 1974 sur un affluent du Fleuve Jaune,dans le nord-ouest de la CHINE. Elle présente une capacité de 398 x 10 m3. Des galeriessur les rives gauches et droites de la rivière, ainsi que des pertuis, ont été installésafin d'évacuer les crues et les courants de densité et de vidanger ou de vider laretenue. L'évacuation des courants de densité dans le but de diminuer la sédimentationdans la retenue avait été envisagée au stade de l'avant-projet.

Les apports annuels sont de 485 x 106

apports solides mesurent environ 4,96 x 10 6m3, dont 44 % arrivent pendant les crues. Lestonnes, dont 84 % sont transportés pendant

la saison des crues. La concentration moyenne en matériaux solides est de 9 kg/m3, alorsque la valeur maximale observée est de 604 kg/m3. Entre 1976 et 1980, on a mesuré environ14 périodes de courants de densité. La concentration maximale en matériaux solides d'uncourant de densité a atteint 676 kg/m3. Le rapport entre les débits solides sortants etentrants pour chaque pointe de crue variait entre 25 et 65 %, selon la nature de chaquecrue, la longueur de la retenue, et les caractéristiques des matériaux entrants.

La topographie de la retenue de Fengjiashan et les dispositifs de chasse sont bienadaptés à l'évacuation des courants de densité. La retenue bénéficie du fond pentu du litde la rivière d'origine, de matériaux fins provenant du bassin versant, d'une étendue deremous relativement courte, et de vidanges de fond situées immédiatement au-dessus dufond. Il existe également d'autres vidanges capables d'évacuer de gros débits à desniveaux supérieurs.

130

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 142: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 143: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 144: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 145: Sedimentation Unesco

Des expériences ont montré que lorsque le débit entrant est supérieur à 50 m3/s etcomporte une concentration en matériaux supérieure à 30 kg/m3, un courant de densité seformera et traversera la retenue jusqu'au barrage. D'après les débits solides entrants etsortants qui ont été enregistrés et ensuite confirmés par des ingénieurs sur place, ilsemble que pendant les premières années d'exploitation les vannes de vidange n'ont pastoujours été ouvertes lorsque les courants de densité arrivaient au barrage. Si cesvannes étaient utilisées correctement,sédiments avec les courants de densité.

il serait possible d'évacuer davantage de

4-2-3-7 La retenue de Nebeur en TUNISIE (Abid 1980)- - - - - -

La-retenue de Nebeur est située sur l'Oued Mellègue dans le nord-ouest de laTUNISIE. Le bassin versant au droit du barrage est de 10 300 km2, dont 46 % se compose deterrain sans végétation et facilement érosif. Les apports manuels sont de 180 x 10 6 m3.

Le barrage de Nebeur a été aménagé afin de réguler le cours de l'Oued Mellègue, quiconstitue le principal affluent sud de la rivière Medjerda. L'eau retenue par le barrageest destinée à l'irrigation de 40 000 ha situés dans la vallée inférieure de la rivièreMedjerda. En outre, la chute créée par le barrage est utilisée pour une usine hydro-électrique qui produit 17 000 000 kWh par an.

On a équipé deux pertuis de vannes NEYBPIC ayant une capacité d'évacuation de12,5 m3/s. On a également installé une vanne Bafour ayant une capacité d'évacuationd'1 m3/s.

L'évacuation d'un courant de densité de la retenue de Nabeur est effectuée selon laquantité de matériaux transportés par le courant de densité lorsqu'il s'approche dubarrage. Lorsque la densité du courant à évacuer égale 1,08, la vanne Bafour fonctionne.Dès que la densité dépasse 1,08 cette vanne est secondée par les vannes NEYRPIC quis'ouvrent de 1/4, 1/2, 3/4 ou totalement, selon les besoins. Quand la densité del'écoulement redescend en-dessous de 1,02, le fonctionnement des vannes s'arrête.

Entre 1954 et 1980, la quantité totale de matériaux solides évacués de la retenueétait de 90,7 x 106 tonnes. Le rapport entre les débits solides sortants et entrants,c'est-à-dire l'efficacité de chasse moyenne est de 59 à 64 %.

4-2-3-8 Principaux facteurs qui influencent la circulation des courants de densité- - - - -

Fan (1962) a développé une méthode approximative pour calculer le comportement d'uncourant de densité d'après des données enregistrées pour des courants de densité dans lelac Mead et dans la retenue de Guanting.

La quantité de matériaux déposée par un courant de densité dépendra de lamorphologie de la retenue (qui a une influence sur la largeur du courant de densité), dudébit solide entrant et de la nature des matériaux qu'il contient, de la hauteur desvannes de vidanges, du débit de chasse, de la cote de la retenue pendant la période dechasse, de la longueur de la retenue, et d'autres facteurs encore. Dans les premièresannées d'exploitation d'un barrage les courants de densité suivent l'ancien lit de larivière. Puis, suite au comblement de l'ancien lit, les courants de densité s'étendentsur une surface du fond plus large. Le débit par unité des courants de densité estinférieur à celui des premières années d'exploitation.

D'une façon générale, une plus grande quantité de matériaux sera évacuée de retenuescourtes ayant : de forts débits entrants, des courants de densité fortement concentrés,des vidanges qui sont grandes et basses, et de forts débits sortants.

134

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 146: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 147: Sedimentation Unesco

Le tableau 4.16 présente des données concernant le rapport entre les concentrationsen matériaux solides des courants de densité entrants et sortants pendant une crue.

Tableau 4.16 : Résumé des rapports mesurés entre les concentrations en matériaux solidesdes courants de densité entrants et sortants pendant une crue.

La figure 4.45 trace le rapport entre Wo/Wi et L, ou la longueur de la retenuecontre la valeur du paramètre Qo/Qi, où Wi représente la quantité de matériaux solidesentrants et Wo la quantité de matériaux solides sortants avec un courant de densité ;tandis que Qi et Qo sont respectivement les débits moyens entrants et sortants pendantune pointe de crue. Le rapport Wo/Wi augmente au fur et à mesure que la longueur de laretenue diminue et que le rapport Qo/Qi augmente.

4-3 VIDANGES DE FOND

Dans chaque retenue menacée par le problème de la sédimentation, il est souhaitablelors de la conception du barrage d'envisager une évacuation des matériaux solides par desvidanges de fond. Il faut également prendre en compte les méthodes d'exploitation de laretenue. Parmi toutes les méthodes employées pour évacuer des matériaux, l'utilisationdes vidanges de fond semble être la plus efficace.

(1) - Les vidanges de fond peuvent être utilisées pour évacuer une crue, 0" pourvidanger une retenue dans des cas d'urgence où une vidange très rapide est nécessaire.

(2) - Les vidanges de fond peuvent également servir à chasser des sédiments, enabaissant le niveau d'eau afin de chasser des dépôts de limon, de sable et de graviers,qui sont donc érodés par la force tractrice de l'écoulement. D'une façon analogue, onpeut évacuer des courants de densité de retenues servant au stockage.

(3) - Quand les vidanges de fond sont situées en-dessous des prises d'eau, ellesempêchent les matériaux solides de pénétrer dans la prise d'eau, et elles minimisentainsi l'usure des turbines.,

A - La vidange de fond dite "espagnole" est probablement une des plus anciennes quiexistent. Elle consiste d'une ouverture proche de l'ancien lit de rivière OU de labase du barrage. L'évacuation des crues à travers ce type de vidange a préservél'efficacité de certaines retenues pendant une centaine d'années. Un des exemplesles plus célèbres est celui de l'ancien barrage d'Assouan situé sur le Nil, près de

136

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 148: Sedimentation Unesco

Haifa, en EGYPTE. Les eaux de crue chargées en matériaux traversaient la retenue en'diminuant à peine leur vitesse. Le barrage comportait 180 vidanges installées en 4groupes à des niveaux différents, et capables ensemble d'évacuer une crue maximale de14 200 m3/s.

Voici un exemple de barrage conçu avec des vidanges de fond capables d'évacuer uneforte crue en abaissant totalement le niveau de la retenue.

B - La retenue de Gebidem, située sur la rivière Massa en SUISSE, constitue un deuxièmeexemple (le Comité National SUISSE sur les Grands Barrages, 1982). Cette retenue estvidangée une fois par an lorsque l'écoulement de la rivière est suffisammentimportant (normalement au début du mois de Juin). L'efficacité de la vidange estaccrue par l'étroitesse du fond de la vallée.

On a effectué des mesures à la fois sur des modèles réduits et in situ afin d'évaluerl'efficacité des vidanges de fond.

Le barrage de Gebidem a été achevé en 1968.capacité de 9 x 10 6

Il mesure 122 m de haut, avec unem3 destinée à la production d'électricité. Les apports annuels

sont de 420 x 106 m3 et contiennent environ 500 000 m3 de matériaux solides, dont130 000 m3 sont du sable et des graviers charriés. Il fallait résoudre un problème desédimentation dans une retenue d'une modeste capacité recevant une grande quantitéd'apports solides. On a effectué des essais sur modèle réduit afin de confirmerl'efficacité d'une chasse des sédiments au moyen d'une vidange complète.

Des essais sur modèle réduit ont été effectués pour deux types de chasse :

* Ecoulement en charge (sans interruption de la production d'énergie, le niveau d'eauétant maintenu légèrement au-dessus de la cote minimale d'exploitation) et

l Ecoulement à surface libre (arrêt total de la production) pendant la chasse àtravers des vidanges de fond. Le tableau 4.17 présente les résultats.

La vidange de fond du barrage a été conçue spécialement pour la chasse annuelle dessédiments de la retenue. Le tableau 4.18 montre les résultats des mesures sur prototypedepuis 1969.

Les résultats des essais sur modèle réduit de l'opération de chasse se sont avéréssatisfaisants par rapport aux mesures effectuées in situ entre 1969 et 1978. L'efficacitéde la chasse, traduite par le rapport eau - sédiments, a été environ deux fois supérieureà celle prévue lors des essais. La chasse permet une évacuation de 100 000 m3 desédiments en moyenne, ce qui correspond pratiquement aux apports solides annuels. Ladernière colonne du tableau 4.18 indique la concentration en matériaux solides relevéedans le Rhône à Viège, à l'aval du barrage. La figure 4.46 est une photographie de la

137

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 149: Sedimentation Unesco

Tableau 4.18 : Résultats des opérations de chasse effectuées entre 1969 et 1977 dans laretenue de Gebidem

retenue à la fin de l'opération de chasse de 1976. La figure 4.47 représente un plan de lavidange de fond de la retenue de Gebidem.

C - Un troisième type de vidange de fond consiste d'une vidange équipée de vannes pourl'évacuation de courants de densité. On peut noter les exemples suivants (Groupe deTravail du Comité Français des Grands Barrages, 1982) :

En TUNISIE, le barrage Nebeur sur l'Oued Mellègue comporte une vanne Bafour et deuxvannes NEYRPIC. La figure 4.48 représente un plan de cette structure, tandis que lafigure 4.49 propose une vue générale des vidanges de fond. Les barrages de Bebhana etde Bir M'Cherga comportent 4 conduites de 400 mm de diamètre, et 8 petites vannes.

En ALGERIE, le barrage d'Es Saada sur l'Oued Mina comportent 4 conduites de 400 mm dediamètre et 8 petites vannes. Le barrage d'Iri1 Emda comporte 8 conduites de 400 mm dediamètre (dérivation par les vannes principales).

Au MAROC, les barrages de Youssef Ben Tachfine et de Tleta utilisent une galerie dedérivation de 400 mm de diamètre comme vidange de fond.

L'utilisation des vannes pour évacuer des courants de densité s'est démontréeefficace. Par exemple, chaque année environ 60 % des matériaux solides entrants sontévacués de la retenue de Nebeur (Abid, 1980)..

138

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 150: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 151: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 152: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 153: Sedimentation Unesco

Des nouvelles vidanges de fond ont été construites pour les barrages de Chambon et deSautet en FRANCE, car ces retenues s'étaient sérieusement envasées (Berthier et alia,1970).

Le barrage-poids de Chambon, achevé en 1935, mesure 136 m en hauteur et possède unecapacité de 56 x 10 m3. Il possédait à son origine des vidanges de fond équipées degrilles. En 1955, cependant, on a découvert que ces vidanges étaient entièrementobstruées, et en 1959 le niveau de vase était monté à 12 m, ce qui représentait undanger pour le barrage. Pendant les travaux de reconstruction, on a enlevé lessédiments accumulés derrière le barrage et dans les vidanges d'origine. La galerie dedérivation ayant servi pendant la construction du barrage a été rouverte. Cettegalerie se situait à 15 m au-dessus des vidanges de fond d'origine. La constructiond'une nouvelle vidange de fond a été achevée en Décembre 1962 (les figures 4.50 et4.51).

m

Figure 4.50 : Barrage de Chambon - Construction d'une nouvelle vidange de fond(d'après Berthier et alla, 1970)

1 - Prise d'eau 5 - Ancienne vidange de fond2 - Cote minimale d'exploitation 6 - Nouvelle vidange de fond3 - Cote de sédiments (avant travaux) 7 - Cote normale de la retenue4 - Galerie de dérivation 8 - Galerie d'adduction

142

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 154: Sedimentation Unesco

Figure 4.51 : La nouvelle vidange de fond du barrage de Chambon (d'après Berthier etalia, 1970)

1 - Nouvelle vidange de fond2 - Ancienne vidange de fond3 - Prise d'eau

Une nouvelle vidange a également été installée dans le barrage de SAUTET, qui mesure115 m de haut. L'ouvrage a été inauguré en 1935, et la retenue a une capacitéde100 x 106 m3. Le barrage comportait deux vidanges à des niveaux différents : d'abord unevidange de fond, constituée par la galerie de dérivation d'origine, et ensuite une vidangeintermédiaire traversant le barrage à 25 m au-dessus de la vidange de fond. La vidange defond a fonctionné jusqu'en 1938, où elle était presque totalement obstruée par desmatériaux. Ensuite le dépôt s'est élevé jusqu'à la vidange intermédiaire, qui a étéobstruée à son tour en 1961. La hauteur des sédiments atteignaient 50 m, c'est-à-direseulement 15 m en-dessous de la prise d'eau ; il fallait donc installer une nouvellevidange. Elle a été installée à 5 m en-dessous de la prise d'eau, et sa construction s'estterminée entre 1962 et 1963 (les figures 4.52 et 4.53).

143

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 155: Sedimentation Unesco

Figure 4.52 : Retenue de Sautet : modifications du profil en long entre 1935 et 1973(d'après le Groupe de Travail du Comité Français des Grands Barrages,1976)

1 - Barrage2 - Cote maximale de la retenue3 - Cote minimale d'exploitation4 - Cote du seuil de la prise d'eau5 - Cote du seuil de la nouvelle vidange6 - Cote du seuil de l'ancienne vidange intermédiaire (abandonnée)7 - Cote du seuil de l'ancienne vidange de fond (abandonnée)8 - Profil du fond de la cuvette avant son remplissage en 1935

144

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 156: Sedimentation Unesco

Figure 4.53 : Barrage de Sautet - Nouvelle vidange (d'après le Groupe de Travail duComité Français des Grands Barrages, 1976)

0 - Vidanges intermédiaires1 - Nouvelle vidange (diamètre : 3 m)2 - Entonnement de la vidange3 - Batardeaux amont4 - Vanne de régulation aval5 - Ancienne vidange de fond6 - Evacuateurs de crue de surface7 - Prise d'eau8 - Barrage9 - Usine

145

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 157: Sedimentation Unesco

Les nouvelles vidanges installées dans les barrages de Chambon et de Sautet ont étéemployées pour évacuer des courants de densité pendant des crues.

On rapporte également qu'une vidange de fond du barrage de Steeg sur l'Oued Fodda enALGERIE a été obstruée par des sédiments après plusieurs années d'exploitation. On aouvert des orifices situés en-dessous du niveau de la surface des sédiments, afind'évacuer des matériaux déposés antérieurement par des courants de densité (les figures4.54 et 4.55) (Thévenin, 1960).

146

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 158: Sedimentation Unesco

Figure 4.55 : Ecoulement boueux sortant de la retenue de Steeg sur l'Oued Fodda enALGERIE (d'après Thévenin, 1960)

E - Une vidange de fond est parfois installée dans la zone proche de la prise d'eau, afind'empêcher l'entrée de matériaux grossiers dans la prise d'eau. La retenue de Grimsel,qui constitue la plus ancienne retenue artificielle en SUISSE, présente un exemple dece type d'installation (Comité National SUISSE des Grands Barrages, 1982). En 40 ans,cette retenue, d'une capacité de 100 x 106 m3 a accumulé 1,65 x 106 m3 de sédiments,ce qui représente moins de 2 % de la capacité. Lors d'une vidange totale en 1973, on apu constater que le dépôt solide avait non seulement atteint le barrage, mais qu'ilétait monté jusqu'au niveau de la prise d'eau. On a donc transformé l'ancienne prised'eau en pertuis de chasse, afin de préserver une zone libre autour d'une nouvelleprise d'eau qui a été installée immédiatement au-dessus de l'ancienne (figures 4.56et 4.57).

147

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 159: Sedimentation Unesco

- Le barrage de Sanmenxia en CHINE a subi certaines modifications, dont la constructionde deux nouvelles galeries de dérivation, ainsi que la transformation et lareconstruction de 4 conduites destinées à l'évacuation des crues. Huit des douzevidanges de fond qui avaient été bouchées après l'achèvement du barrage ont étérouvertes.

Après l'achèvement du barrage, la retenue s'est remplie d'eau entre Septembre 1960 etMars 1962. Une forte sédimentation s'est produite. On a modifié le mode d'exploitationen inaugurant des chasses pendant les crues, mais du fait de la trop faible capacitéd'évacuation des vidanges, la sédimentation s'est poursuivie. Il fallait modifier lebarrage afin d'augmenter la capacité d'évacuation des vidanges.

Pour le barrage de Sanmenxia, aucune vidange n'avait été prévue lors des études. A lasuite d'une sédimentation intense, il a fallu entreprendre une reconstructionimportante du système de vidange, comportant l'installation de galeries, etc..., afinde pouvoir chasser les sédiments.

Il est évidemment très coûteux de reconstruire les vidanges de fond de barragesexistants, et la planification des vidanges de fond lors des études est indispensable.Cela est vrai surtout dans des régions arides et semi-arides, où la sédimentation desretenues pose un grave problème.

En ce qui concerne l'exploitation de la retenue, il ne faut pas négliger l'importancede la précision lors de l'évacuation des sédiments pendant la saisons des crues. Parexemple, lors de l'évacuation d'un courant de densité, les vidanges ou vannes doiventêtre ouvertes ni trop tôt, ni trop tard, afin de chasser les sédiments de façonefficace. (Groupe de Travail du Comité Français des Grands Barrage, 1982 ; Fan, 1962).

4-4 LA RECUPERATION DE LA CAPACITE

4-4-l La chasse des sédiments

On peut avoir recours à des vidanges totales périodiques dans des petites retenuesqui perdraient leur capacité utile après quelques années d'exploitation. Puisqu'une grandepartie de la capacité utile d'une petite retenue est située près du barrage, les sédimentspeuvent être chassés par l'écoulement d'une crue, à condition que les vannes de vidangesrestent ouvertes pendant un certain temps. Le lit ainsi creusé par ces chasses s'incorporedans la capacité de la retenue.

Des opérations de vidange et de chasse sont utiles dans des retenues où il n'est paspossible d'équilibrer la sédimentation et l'érosion seulement en chassant les sédimentspendant la saison des crues et en stockant l'eau plus claire pendant les autres saisons.

La retenue de Hengshan est l'exemple d'une retenue dans laquelle sont effectuées desopérations de vidange et de chasse. La retenue est petite et encaissée, mesurant 1 km enlongueur, et elle a une capacité de 13,3 x 106 m3. Le barrage mesure 69 m de haut. Ilcomporte d'une part, une petite vidange de fond avec une capacité d'évacuation de 17 m3/ssituée à 2.6 m au-dessus de l'ancien lit de la rivière, et d'autre part, une vidanged'évacuation de crue située à 14,5 au-dessus de l'ancien lit, qui a une capacité maximaled'évacuation de 1 260 m3/s. La retenue est destinée à l'écrêtement des crues et àl'irrigation.

148

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 160: Sedimentation Unesco

Figure 4.56 : Retenue de Grimsel : prise d'eau avant modification (d'après le ComitéNational SUISSE des Grands Barrages, 1982)

1 - Grille de la prise d'eau2 - Vanne wagon3 - Ancienne galerie en charge

,

_.-2

Figure 4.57 : Retenue de Grimsel : prise d'eau après-modification (d'après le ComitéNational SUISSE des Grands Barrages, 1982)

1 - Nouvelle galerie en charge2 - Entonnement3 -Chambre des vannes

4 - Galerie de chasse5 - Galerie d'accès

149

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 161: Sedimentation Unesco

Suite aux huit premières années de son exploitation, de 1966 à 1973, un volume de3,19 x 106 m3 de sédiments s'était accumulé.était de 27 m.

La hauteur du dépôt solide contre le barrageLa retenue a été vidangée totalement pendant 37 jours en 1974,

permis la récupération de 800 x 103 m3.ce qui a

Ensuite, la retenue a stocké l'eau jusqu'au moisde Juin 1979,comblé.

où le principal lit ayant été érodé en 1974 était de nouveau complètementUne deuxième période de vidange d'une durée de 52 jours pendant la saison des

crues de 1979 a permis la récupération de 1,03 x 10 6

m3 de la capacité. Le volume desédiments dans la retenue est descendu jusqu'à 2,62 x 106

m3.

La figure 4.58 présente des profils en long obtenus avant et après chaque période devidange. Des opérations périodiques de vidange et de chasse permettent la récupération dela capacité utile en éliminant les dépôts du lit majeur et en créant un chenal au fond dela retenue. Les figures 4.59 et 4.60 sont des photos de la vidange de la retenue deHengshan en 1982.

Des mesures effectuées in situ ont montré que les opérations de chasse de la retenuevide ont favorisé une érosion régressive. Les concentrations en matériaux solides sortantsont atteint environ 1 000 kg/m3, quel que soit l'ordre de grandeur du débit. Cetteconcentration a été maintenue pendant environ 100 minutes dans tous les cas, mais en 1974elle s'est maintenue pendant plus de 1 000 minutes, comme le démontre la figure 4.61.

150

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 162: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 163: Sedimentation Unesco

Les concentrations maximales relevées étaient de 1240 kg/m3 en 1975, et de 1300 kg/m3en 1979. La concentration de l'écoulement sortant diminuait normalement après environ 2000minutes.

Pendant la vidange et la chasse, une forte érosion régressive s'est produite du faitde l'abaissement du niveau de la retenue. Un chenal s'est rapidement creusé dans le dépôtsolide du lit majeur, et il s'est au fur et à mesure approfondi et en même temps étenduvers l'amont. Dans la zone inférieure à 350 m du barrage, la boue déposée dans le litmajeur a petit à petit glissé vers le chenal, ce qui a abaissé le niveau du dépôt solidedu lit majeur. Au profil en travers situé à 150 m du barrage, une pente transversale de5,5 % a été mesurée. Les sédiments fins (D 50 = 0,02 mm) contenaient beaucoup d'eau, etils émigraient facilement vers le chenal. d'où ils étaient érodés et ensuite évacués de laretenue dans une forte concentration (de 800 à 1 300 kg/m3).

Dans la zone située entre 350 et 800 m du barrage, les sédiments étaient plusgrossiers. Quelques glissements du dépôt boueux ont également été observés mais les pentesdes profils en travers présentaient quelques banquettes dûes à la nature grossière dessédiments.

Dans le cours éloigné du barrage, le profil en travers érodé prenait une formerectangulaire, car le chenal était élargi par l'érosion au pied des berges, ce quientraînait l'affaissement vertical des dépôts grossiers du lit majeur.

Le choix du moment propice aux opérations de chasse, et la prévision du moment et dela durée de l'évacuation des sédiments sont des problèmes importants dans l'exploitationd'une retenue.

Dans le cas de la retenue de Hengshan, il semblerait que la chasse était d'une grandeefficacité lorsque le chenal principal, érodé antérieurement par une opération de chasse,s'était de nouveau rempli de sédiments depuis 4 ou 5 ans.

Davantage de volume serait récupéré si la retenue était vidangée avant l'arrivéed'une crue, afin que les eaux de la crue puissent exercer leur grande force d'érosion surles sédiments non-consolidés. Il faudrait limiter les opérations de chasse à la saison descrues, afin qu'aucune sédimentation importante ne se produise suite à la période dechasse.

4-4-2 Le dragage

On a recours au dragage pour enlever les sédiments d'une retenue si :

a - les opérations de chasse ne sont pas efficaces,

b - le construction d'une galerie de dérivation est impossible,

c - l'abaissement de la retenue pour la chasse est impossible pour des raisons deconservation de l'eau,

d - le barrage est irremplaçable et ne peut être surelevé,

e - la quantité d'énergie requise pour réduire l'envasement en vidangeant la retenuereprésente une trop grande perte économique.

152

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 164: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 165: Sedimentation Unesco

D'une façon générale, le dragage constitue une méthode de récupération de capacitéqui coûte cher, à moins que les sédiments puissent être recyclés de façon intéressante.Certains sédiments grossiers peuvent être récupérés pour les besoins des travaux publics.

On effectue le dragage dans une retenue dans des situations différentes. En voiciquelques exemples :

(1) Le dragage peut servir à récupérer la capacité de petites retenues, de petitesretenues de débits réservés, ou de bassins de rétention de graviers ; ou alors à récupérerpartiellement la capacité de retenues moyennes.

En ALGERIE (Bellouni, 1980 ; Belachir, 1980), on entreprend des opérations de dragageen-période d'irrigation afin de récupérer la capacité d'origine. La drague Lucien Demayest une drague à suction et à refoulement comportant une tête coupante à rotation. Elleest capable en théorie de draguer 1 m3 de vase in situ (avec une densité d'environ 1,6) enutilisant environ 5 m3 d'eau claire. Le volume de vase draguée par mois est estimé àenviron 340 000 m3. Lorsque les tuyaux à suction et à refoulement se bouchent, la machineconsomme davantage d'eau, allant jusqu'à 9 fois le volume de vase.

Le dragage effectué par l'appareil Lucien Demay entre 1957 et 1968 est chiffré dansle tableau suivant :

Pendant une période de dragage dans la retenue de Hamiz d'une durée de 5 mois etdemie, 2 300 heures de pompage ont été réellement effectuées, et 730 heures d'arrêt ontété enregistrées. D'après Bellouni, les principales causes d'arrêt étaient des incidentsmécaniques et de tuyauterie, des "bouchons" dans les tuyaux, des changementsd'emplacement, et le rallongement ou le raccourcissement du tuyau flottant. 25 % desarrêts étaient dûs aux "bouchons". Ils apparaissent lorsque des morceaux de vase semélangent à des corps étrangers, tels que des troncs d'arbres, dans le tuyau. Afin dedégager le tuyau, il est nécessaire de faire remonter de l'eau claire dans le tuyau àsuction pour séparer les morceaux. Le tuyau à refoulement peut également se boucher si lesmorceaux de vase ne se dissoudent pas dans l'eau.

Le programme de dragage des retenues algériennes implique généralement le creusementd'aval en amont d'un chenal dans la couche de sédiments afin de faciliter la circulationdes courants de densité vers les vidanges de fond. Les courants de densité présentent degros débits par unité et de fortes vitesses une fois dans le chenal nouvellement creusé.

Dans la retenue de débit réservé de Palagnedra (Leichti et alia, 1970) en SUISSE, unedrague flottante est capable d'évacuer des matériaux très fins accumulés autour de laprise d'eau, dans des profondeurs allant jusqu'à 50 m. Les matériaux aspirés sontacheminés jusqu'au barrage dans un tuyau flottant, puis ils traversent le barrage et sontensuite évacués à l'aval (figures 4.62a et 4.62b).

154

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 166: Sedimentation Unesco

Figure 4.62a : Partie inférieure de la retenue près du barrage, avec drague flottante(d'après W. Liechti, 1970)

A - BarrageB - Vidange de la galerie amontC - Prise d'eau et galerie en charge1 - Drague flottante2 - Conduite flottante3 - Elément mobile relié au barrage4 - Conduite à travers le barrage

155

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 167: Sedimentation Unesco

Figure 4.62b : Profil en long de la partie inférieure de la retenue avec la dragueflottante (d'après W Liechti, 1970)

A - Coupe dans l'axe du barrageB - Niveau maximum (sans déversement)

486 m a.s.1C - Cote minimale d'exploitation

456 a.s.1D - Prise d'eau de la galerie en charge de Verbano

cote du seuil 448m a.s.1E - Ancien lit de rivièreF - Hauteur des sédiments en Juin 1967G - Cote à l'aval de la rivière Melezza

environ 426 m a.,s.l

1 - Drague flottante, profondeur maximale d'extraction 50 m2 - Conduite flottante, longueur variant entre 280 et 350 m

diamètre 350 mm3 - Elément mobile relié au barrage, longueur 32 m4 - Conduite traversant le barrage, longueur 20,5 m

diamètre du trou foré 490 mm5 - Vannes de sécurité et sortie de la conduite d'évacuation.

156

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 168: Sedimentation Unesco

(2) Le dragage est également employé soit pour extraire les sédiments des retenuesd'une chaine d'usines hydro-électriques, soit pour abaisser la cote de la crue de larivière, soit pour maintenir la profondeur nécessaire à la navigation sur la longueur duremous du barrage.

En AUTRICHE, on a mis en oeuvre dans les années 50 un plan de développement del'énergie hydro-électrique comportant l'implantation d'une chaine d'usines de Ybbs-Persenbeug a été la première inaugurée, en44 x 106 m3

1957. Sa capacité est de 76 x 106 m3, dontconstituent la capacité utile, et le barrage présente une chute moyenne

de 11 m.

Les matériaux charriés décantent près de l'entrée de la retenue, ce qui entraîne lerétrécissement et l'exhaussement du lit à certains endroits. Cela gène ensuite lanavigation et l'écoulement de la rivière. La diminution de l'écoulement dans certainessections de la rivière entraîne un exhaussement de la cote de la rivière et uneaugmentation des risques d'inondation. Pendant les quatre premières années d'observation,800 000 m3 de graviers se sont déposés près de l'entrée de la retenue. Ces matériaux sontextraits périodiquement par dragage.

La construction de l'usine de Wallsee-Mitterkirchen à l'amont en 1968 a entraîné unediminution de la quantité de matériaux charriés.11 m et sa capacité est de 54 x 106 m3,

Ce barrage présente une chute moyenne dedont 29 x 106 m3 constituent la capacité utile.

Des quantités considérables de matériaux charriés se sont déposés dans sa retenue,notamment pendant les années de fortes crues (environ 300 000 m3 en 1970, et environ 400000 m3 en 1975); ces matériaux ont été extraits par dragage afin d'éviter l'exhaussementde la cote de crue et de maintenir une hauteur dégagée de 8 m sous le pont de chemin defer, pour les besoins de la navigation.

Kobilka et Hauch (1982) ont estimé que le dragage des graviers à l'entrée de laretenue était économiquement rentable. En outre, on considère que le creusement pardragage du niveau aval est le moyen le moins coûteux d'augmenter la chute utilisée pour laproduction d'énergie. En outre, les graviers peuvent être récupérés pour les besoinsd'autres travaux publics.

(3) Quand on peut utiliser les sédiments (graviers) comme granulats pour lafabrication du béton, la méthode du dragage devient rentable. Au JAPON, on recycle ainsiles matériaux extraits de plusieurs retenues. On peut en citer trois exemples : lesretenues de Akiba, Sakuma et Miwa (Nose, 1982 Okada et alia, 1982 ; Shiozawa, 1974 ;Murakami, 1979).

Le barrage d'Akiba, d'une hauteur de 84 m, a été aménagé sur la rivière Tenryu en1958 pour des besoins de production d'électricité. Sa capacité est de 34 x 106 m3, et lebassin versant au droit du barrage mesure 4 490 km2.

L'extraction annuelle de 400 000 m3 de sédiments est nécessaire pour préserver leniveau d'origine du lit.

Dans les 4,5 km proches du barrage, les sédiment-s se composent essentiellementd'argile et de limons fins, dont 150 000 m3 sont extraits chaque année par une dragueaspirante et déposés immédiatement à l'amont du barrage, pour en être évacués lors del'évacuation des crues.

Dans la zone comprise entre 4,5 et 8,2 km du barrage, les sédiments sont d'unedimension bien adaptée au recyclage. On extrait environ 200 000 m3 de ces sédiments paran.

157

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 169: Sedimentation Unesco

A l'amont du point situé à 8,2 km du barrage, on extrait environ 50 000 m3 degraviers par an à l'aide de pelleteuses. Une partie est utilisée comme granulats, et uneautre partie est perdue parmi les déblais.

La retenue de Sakuma est une grande retenue destinée à la production d'électricité,aménagée sur la rivière Tenryu au JAPON.est de 330 x 106 m3.

Son barrage mesure 155 m de haut, et sa capacité

Dans une période de 24 ans entre son achèvement en 1956 et 1980, un volume de73 x 106 m3 de sédiments s'est accumulé dans la retenue de Sakuma. Cela représente uneperte de 23 % de la capacité. Le taux moyen annuel de sédimentation était de 3 x 106 m3par an.

Actuellement, on extrait environ 106 m3 de sédiments par an afin d'empêcherl'exhaussement du lit de la rivière. Les sédiments extraits de la partie amont de laretenue de Sakuma sont pour la plupart des sables de quartz d'une dimension et d'unequalité adaptées à la fabrication du béton.

On maintient la période de basses eaux le plus longtemps possible afin d'empêcher lasédimentation dans la zone de remous à l'amont du barrage.

La retenue de Miwa a été aménagée en 1959 sur la rivière Miwa Gawa, un affluent de larivière Tenryu au JAPON. L'ouvrage était destiné à l'écrêtement des crues, à l'irrigationet à la production d'électricité.d'origine était de 37,0 x 106 m3.

Le barrage mesure 69,1 m de haut, et sa capacitéLa capacité utile d'origine était de 25 x 106 m3. Lors

des études, on a estimé qu'un volume total de 6,5 x 10 6 m3 de sédiments se déposerait en40 ans. En fait,

6c'était une sous-estimation. Les dépôts réels entre 1959 et 1972 étaient

de 9,5 x 10 m3, ce qui prouve que la sédimentation s'est produite nettement plusrapidement que les études ne l'avait prévu.

On a inauguré l'opération de dragage en 1965, et en 1974, 2,3 x 106 m3 de sédimentsavaient été extraits. Ces matériaux ont été utilisés pour fabriquer du béton. En Octobre1973, une drague aspirante ayant une capacité de 150 x 103 m3 par an a été mise enopération dans le cadre d'un plan de dragage décennal destiné à préserver la capacitéutile de la retenue.

4-4-3 Extraction par siphonnement

Les siphons évacuateurs sont également employés pour extraire des sédiments deretenues. Ils diffèrent du dragage par aspiration en ce qu'ils utilisent la différence decote à l'amont et à l'aval du barrage comme source d'énergie motrice. Voici troisexemples:

(1) Un des appareils Les plus simples et les plus efficaces est le siphon hydrauliqueinstallé au barrage de Rioumajou en FRANCE (Evrard, 1980). Le siphon enjambe le barragepoids-voûte de 21 m de haut (figure 4.63). L'embouchure du siphon est située entre laprise d'eau et la vidange de fond située 4 m en-dessous, car chaque année les sédimentsobstruaient la vidange de fond et menaçaient la prise d'eau. Dès que le barrage déverse,le fonctionnement du siphon intervient automatiquement. Il est équipé d'un pot dedésamorçage automatique complété par une conduite de désamorçage manuel pour les mises aupoint. La branche aval mesure 450 mm de diamètre et 20 m de long, et elle est équipée d'unbec d'amorçage vers la sortie. La branche amont mesure 400 m de diamètre et 24 m de long.Cet appareil peut évacuer 1 m3/s, et il entraîne des éléments solides dont la masseunitaire atteint 15 kg. Le siphon du barrage de Rioumajou est d'une efficacitéremarquable, et il a été amorti pratiquement en une année.

158

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 170: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 171: Sedimentation Unesco

(2) Des siphons évacuateurs ont également été employés dans des petites retenues dansle nord et le nord-ouest de la CHINE pour récupérer la capacité d'origine. Un exemple estle siphon évacuateur expérimental installé dans la retenue de Tianjiawan.

La retenue de Tianjiawan a été aménagée en 1960 sur la rivière Fenghe, un affluent duFleuve Jaune. Sa capacité est 9,42 x 106 m3. Les apports annuels sont de 3,95 x 106 m3et les apports solides annuels sont de 250 x 1,03 m3. Pendant la période entre 1960 et1973, 4,0 x 106 m3 de sédiments se sont accumulés dans la retenue. Une analysegranulométrique des sédiments a démontre que sur les 500 premiers mètres à l'amont dubarrage, le diamètre moyen des particules est de 0,006 à 0,008 mm. 40 à 48 % des sédimentsse constituaient de particules ayant une diamètre inférieur à 0,005 mm, et 44 à 58 % dessédiments se constituaient de particules ayant un diamètre entre 0,05 et 0,005 mm.

Le siphon évacuateur fonctionne depuis 1975. Entre Juin 1977 et Juin 1978, un volumetotal de 298 x 103 m3 de sédiments a pénétré dans la retenue, tandis que le siphon en aextrait 320 x 103 m3. Le siphon a fonctionné pendant un total de 695 heures, avec uneévacuation moyenne de 460 m3/heure. La boue évacuée avait une concentration moyenne enéléments solides de 15,6 % du volume.

Le siphon évacuateur se constitue de trois éléments :

* une plateforme composée de 6 pontons en acier d'une dimension de 8 m x 5,5 m x l,lmd'un déplacement de 16,8 tonnes. Une source d'énergie de 31 kw sert aufonctionnement des treuils ;

l la conduite mesure 228,9 m de long et 550 mm de diamètre, et elle est composée detuyaux en acier et de joints en caoutchouc. L'embouchure de la conduite est équipéed'une tête aspirante en forme de "pelle à poussière" avec un racloir et des becs,et ensuite d'une tête coupante rotative ;

* la conduite est reliée au barrage par une chambre des vannes submergée (figure4.64). La chute totale du projet de Tianjiawan est de 17,7 m, mais la chute netten'est que de 7,9 m.

Figure 4.64 : Schéma de l'embouchure du siphon évacuateur dans la retenue deTianjiawan

160

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 172: Sedimentation Unesco

Lessont les

(a)

(b)

avantages de l'évacuation par un siphon tel que celui de la retenue de Tianjiawansuivants :

un coût minimal,

une absence presque totale de gaspillage d'eau. Le mélange eau/sédiments évacuéest utilisé pour l'irrigation et sert comme engrais dans des zonesd'alluvionnement,

(c)

Les

(a)

le siphon évacuateur est d'une utilisation très simple{ et facilement adaptable.

inconvénients d'un tel système sont les suivants :

bien que le joint flexible en caoutchouc soit d'une conception simple et peuchère, il exerce une forte résistance à l'écoulement. Quand la boue a uneconcentration volumétrique entre 1 et 11 %, le coefficient de résistance du jointen caoutchouc est 17 à 20 fois supérieur à celui de la conduite en acier,

(b) la conduite peut se boucher dès que la concentration en matériaux solides dépasseune certaine limite, qu'une distribution de pression anormale se développe, ouque la vitesse de la boue descend en-dessous de la valeur critique pour ladécantation.

(3)travers(Brown,

La méthode de Jandin. La méthode d'évacuation des sédiments par un siphon àun barrage a été envisagée pour la première fois par Jandin, au siècle dernier1944). L'ingénieur Jandin a développé et utilisé cette méthode entre 1892 et 1894,

pour évacuer des sédiments avec un siphon à travers le barrage de Djidiowia en ALGERIE.1,4 x 106 m3 de limons et d'argile ont été évacués en 3 ans. Cependant, seulement498 000 m3 représentaient des sédiments déposés antérieurement, et le volume restant avaitpénétré dans la retenue pendant les années d'évacuation. La retenue avait été aménagéeentre 1873 et 1875 pour les besoins en eau potable, avec une capacité d'origine de2,49 x 106 m3 qui a été sérieusement diminuée pendant les 10 années suivant sonaménagement. La concentration moyenne en matériaux solides de l'écoulement entrant étaitde 3 %, avec une concentration maximale de 7 % pendant les crues.

Deux pertuis à vannes d'un diamètre de 1,15 m ont été installés au fond du barrage,mais ils n'ont pas suffit à empêcher l'engravement rapide, probablement dû à une mauvaiseexploitation.

L'appareil de Jandin se composait d'un tuyau flexible d'un diamètre de 61 cm, avecune capacité d'évacuation de 1,53 m3/s dans des conditions normales d'opération. A partird'une ouverture dans le bas du barrage, il était relié à des pontons flottants en tôle, cequi permettait de déplacer le tuyau dans la retenue dans un rayon d'environ 1.6 km. Uneturbine installée près de l'embouchure du tuyau, et actionnée par l'écoulement dans letuyau, était reliée à un appareil à roues coupantes près de la prise d'eau du tuyau, quiétait conçu pour remuer les sédiments.

Hannoyer (1974) a développé une nouvelle méthode basée sur le principe de "l'hydro-aspirateur" proposé par Jandin 80 ans auparavant.

La figure 4.65 représente de façon schématique la disposition de "l'hydro-aspirateur". Un tuyau flexible est relié à la vidange de fond. Le tuyau est amovible afinde créer une charge pour évacuer les sédiments. Il n'y a pas besoin de pompe.

161

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 173: Sedimentation Unesco

Profil en travers

Figure 4.65 : Schéma de l'installation du siphon évacuateur (d'après Hannoyer, 1974 ).

Le tuyau peut avoir une longueur de plus de 2 km, et il est attaché à des flotteursafin de rester au-dessus de la surface de la vase.

On a également effectué des essais de siphons évacuateurs dans la retenue de Bongivalsur la Seine en 1970.

1 6 2

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 174: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 175: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 176: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 177: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 178: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 179: Sedimentation Unesco

METHODES DE PREVISION

5-1 LES OBJECTIFS ET L'ETENDUE DE LA PREVISION

5-l-l Les objectifs

La prévision de la sédimentation dans une retenue dépend toujours des objectifsétablis et des besoins spécifiques concernant la planification, la conception oul'exploitation des ouvrages. Nous examinerons donc ici brièvement les objectifs de laprévision, car ils influencent le choix des différentes méthodes de prévision.

Les objectifs évoluent en fonction du stade de développement d'un projet, comme ledémontre le tableau 5-l.

Au stade de-l'étude préliminaire, l'objectif principal est d'estimer la durée de vieutile d'une retenue. Cela constitue l'élément le plus important pour justifier un projetd'un point de vue' économique. Cette prévision nécessite une estimation de la quantitémoyenne de matériaux solides qui pénétrera dans la retenue, ainsi que de la quantité dematériaux qui y séjournera. Dans certains cas, l'emplacement des sédiments peutinfluencer la répartition de la capacité entre les divers utilisateurs. Par conséquent,dès les premiers stades du projet, une estimation de l'ampleur et de l'emplacement dudépôt solide est souvent nécessaire.

Le devis estimatif de l'étude préliminaire pourra inclure des mesures deconservation des sols visant à réduire l'érosion du bassin versant de la retenue.L'importance de ces ouvrages dépend de leur efficacité pour diminuer la sédimentation.Ainsi, il est utile d'estimer la sédimentation prévue afin de concevoir les ouvrages deprotection nécessaires.

Dans certains cas, les effets négatifs de la sédimentation à l'amont et à l'aval dubarrage sont tellement importants que le projet devient non rentable. Ces effets doiventêtre estimés et compris dans le devis estimatif du projet.

L'intensité de la sédimentation dépend en partie de la façon dont l'eau emmagasinéedans la retenue est exploitée. Par conséquent, au niveau de l'étude préliminaire, il peutêtre nécessaire de préciser dans ses grandes lignes l'exploitation prévue pour la retenueafin de prévoir la sédimentation.

Au stade de l'avant projet, les objectifs de la prévision de la sédimentation sontmultiples. Premièrement, le barrage et les structures attenantes doivent être conçus enfonction des effets de la sédimentation et des moyens nécessaires pour contrôler cettesédimentation (la chasse des sédiments, l'évacuation des courants de densité, ladérivation des eaux de crue turbides. etc... Il s'agit d'étudier l'emplacement et ladimension des prises d'eau, des évacuateurs de crues, des vidanges de fond, des pertuis,des vannes, etc...

Puisque les ouvrages anti-érosion du bassin versant, particulièrement ceux quiprotègent la retenue de l'érosion des berges, des ravins et des torrents, peuventconstituer une partie importante du coût estimé pour l'avant-projet, il faut joindrel'étude de ces ouvrages à l'étude du barrage et des autres structures principales duprojet. La conception des ouvrages destinés à réduire la sédimentation dépend en grandepartie de l'étude de la sédimentation.

168

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 180: Sedimentation Unesco

Tableau 5.1 : Objectifs de la prévision de la sédimentation dans une retenue.

A - Au stade de l'étude préliminaire

- Prévision de la durée de vie de la retenue.

- Estimation des effets de la sédimentation sur la répartition de la capacité.

- Planification et estimation de l'efficacité des mesures anti-érosion dans le bassinversant.

- Estimation -de l'importance des effets secondaires à l'amont du barrage etplanification des mesures nécessaires.

- Estimation de l'importance des effets secondaires à l'aval du barrage etplanification des mesures nécessaires.

B - Au stade de l'avant-projet

- Etude du barrage et des structures attenantes en prenant compte de lasédimentation.

- Etude des mesures anti-érosion dans le bassin versant.

- Calcul des effets secondaires à l'amont du barrage et étude des mesuresnécessaires.

- Calcul des effets à l'aval du barrage et étude des mesures nécessaires,

C - Au stade de l'exploitation

- Développement des techniques de chasse, d'évacuation des courants de densité,etc... et application de ces techniques.

- Evaluation des mesures de redressement et reconstruction des structures selon lesbesoins.

- Prévision en temps réel des mécanismes dé la sédimentation afin d'améliorerl'exploitation future de la retenue.

169

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 181: Sedimentation Unesco

Le mode d'exploitation de la retenue a une influence sur la sédimentation et sur lamise en oeuvre des techniques de maitrise de la sédimentation. Les règles del'exploitation sont élaborées en fonction des besoins des divers usagers de l'eau (parexemple, les besoins en eau potable, de production électrique, d'irrigation, d'écrêtementdes crues, etc...). Dans de nombreux cas, l'analyse du mode d'exploitation en fonction dela sédimentation constitue un aspect important de l'avant-projet.

La sédimentation dans les parties supérieures d'une retenue entraînera uneexhaussement de la cote qui s'accentuera dans le temps au fur et à mesure que lessédiments s'accumulent. Dans certains cas, cela aura une influence importante sur lesouvrages d'écrêtement des crues (tels que digues, ponts, et aménagements portuaires) etpourra majorer le coût du projet par la suite. La conception du barrage et de sa retenuedoit prendre en compte ce phénomène, et il faut prévoir des solutions, techniques ouautres. Ces solutions seront fonction de la prévision de la sédimentation pour laretenue. Par conséquent, l'analyse des effets secondaires de la sédimentation (l'effetprincipal étant la perte de capacité) constitue souvent un objectif important del'avant-projet. Cela s'applique également aux effets à l'aval du barrage (l'affouillementet le creusement du lit de l'émissaire, qui exercent leur influence sur les ouvrages deprotection des berges, les prises d'eau, les ports fluviaux, etc...). effets qui serontégalement étudiés lors de la conception du barrage.

Au stade de l'exploitation, les études de la sédimentation doivent répondre àplusieurs objectifs. Premièrement. les orévisions faites lors des études doivent êtrecomparées à des mesures et des observations effectuées après l'achèvement du barrage. Laprévision de la sédimentation en temps réel remplacera la simulation.

Les mesures prises habituellement pour freiner la sédimentation sont la chasse dessédiments, l'évacuation des courants de densité, etc... Les techniques de ces opérationsdoivent être élaborées à partir d'études de la sédimentation et vérifiées en fonction deseffets obtenus in situ.

Il est parfois nécessaire d'envisager des mesures de redressement impliquant lareconstruction de certaines parties de l'ouvrage, par exemple l'agrandissement desvidanges de fond ou l'augmentation de leur nombre, l'installation de structures dedérivation de crues, l'implantation de structures anti-érosion dans le bassin versant, laconstruction de barrages à l'amont ou de seuils à l'aval de la retenue, etc... Toutes cesmesures nécessitent une étude détaillée des phénomènes de sédimentation in situ.

Le choix des méthodes utilisées pour l'étude de la sédimentation dépendra surtoutdes objectifs.

Au stade de l'étude préliminaire, il suffit dans la-plupart des cas de déterminer laquantité d'apports solides fournie par le bassin versant et d'estimer de façon empiriquele taux de décantation dans la retenue. Il faut parfois également obtenir uneapproximation de la distribution des apports solides prévus pour la retenue.

Au stade de l'avant-projet, des calculs plus précis sont nécessaires. Il estfréquent d'employer des modèlesdistribution des sédiments.

mathématiques de la retenue et de calculer laIl faut effectuer-des mesures in situ très approfondies afin

de fournir des données au modèle et, si possible, afin d'étalonner les formules et lesparamètres des calculs.

Au stade de l'exploitation, les mesures et les observations in situ sontindispensables. Est également indispensable, la comparaison de ces mesures avec lesprévisions antérieures. Les modèles utilisés doivent être validés, afin de pouvoir les

170

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 182: Sedimentation Unesco

employer pour les prévisions en temps réel nécessaires aux opérations de maitrise de lasédimentation (telles que la chasse, l'évacuation d'un courant de densité, etc...).

5-l-Z Les décisions basées sur la prévision de la sédimentation dans une retenue

D'une façon générale, l'objectif des décisions à l'égard de la sédimentation d'uneretenue est de minimiser le risque d'un mauvais fonctionnement du système. Pour favoriserdes décisions optimales et donc minimiser les conséquences néfastes de la sédimentationsur le réseau hydrique dont fait partie l'ouvrage, il faut faire appel aux prévisions dela sédimentation.

Le système pris en compte ici comprend premièrement la rivière (ou les rivières)fournissant les apports liquides et solides à la retenue, deuxièmement la retenue elle-même qui transforme l'écoulement entrant en écoulement sortant tout en retenant unepartie des matériaux solides, et enfin l'émissaire, qui est sujet à des modificationsmorphologiques suite à la création de la retenue.

La prévision du comportement de ce système se base sur le comportement d'un modèlemathématique. Cela peut être très simple, comme dans le cas des méthodes de prévisionempiriques, ou très complexes et nécessitant des modèles mathématiques très sophistiquésou des modèles réduits. La complexité du modèle sera fonction des renseignementsnécessaires pour prendre de bonnes décisions concernant le fonctionnement du système dansson ensemble.

L'état du système est déterminé par des mesures et des observations des débitsliquides et solides entrants et des caractéristiques de la rivière et de la retenue. Unefois que la retenue est mise en exploitation, le comportement du système peut êtreégalement déterminé à partir de mesures et d'observations du débit sortant et desmodifications des caractéristiques de la retenue.

Ces mesures fournissent des renseignements qui sont limités par des contraintestechniques, financières et autres. En dehors des mesures de cotes et les mesurestopographiques, toutes les autres mesures sont effectuées à partir de prélèvements. Enoutre, les méthodes de mesure comportent des erreurs parfois inhérentes à la méthode etparfois dûes au hasard. Ainsi, les renseignements incomplets et les erreurs amènent à uneconnaissance imparfaite de l'état du système.

Le modèle d'un système est constitué d'un ensemble de relations théoriques ouempiriques à l'aide desquels on peut simuler le comportement d'une retenue. Les moyens decalcul utilisés comprennent des graphiques empiriques, des programmes informatiques etparfois des modèles réduits.' Les relations impliquent de nombreux suppositions,hypothèses, simplifications et coefficients empiriques ou semi-empiriques ; donc ellesreprésentent le système de façon imparfaite.

La prévision est donc gênée par la connaissance imparfaite de l'état du système etpar les erreurs inhérentes aux modèles. La valeur d'un modèle est fonction de sa capacitéà prévoir le comportement du système avec suffisamment de précision pour que lesdécisions nécessaires soient prises correctement.

Les figures 5-l (pour les stades des études et de l'avant-projet) et 5-2 (pour lestade d'exploitation) illustrent l'interaction entre la prévision et les décisions.

Aux stades de l'étude préliminaire et de l'avant-projet, le décideur prend desdécisions concernent le site et la capacité de la retenue, sa morphologie, son moded'exploitation, etc..., en fonction des résultats fournis par le modèle. Puisque la

171

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 183: Sedimentation Unesco

retenue n'existe pas encore, il est impossible de vérifier le comportement prévu par lemodèle. Les nombreuses incertitudes en ce qui concerne les apports et le modèle doiventêtre testées par une analyse de sensibilité. Lors de cette analyse, on varie tous lesparamètres concernés à l'intérieur de certaines limites et l'on vérifie les effets de cesvariations sur la prévision. L'analyse doit également s'appliquer aux décisions del'étude préliminaire et de l'avant-projet qui seront influencées par las prévisions. Celaest fondamental, car la prévision de la sédimentation est beaucoup plus sensible vis àvis de l'incertitude des apports et du modèle que ne sont les décisions elles-mêmes. Dufait de la lenteur de la sédimentation, les caractéristiques prévus-pour une retenue lorsde l'étude préliminaire ou de l'avant-projet varieront souvent très peu malgré desmodifications considérables de la sédimentation prévue. Il faudra peut-être plusieursannées avant que les effets de la sédimentation ne se fassent sentir et l'impactéconomique 'des évènements futurs a peu d'influence sur les décisions du présent. Parconséquent, des modèles très sommaires peuvent parfois suffire pour prendre des décisionsau stade de l'étude préliminaire. Il arrive souvent qua les décisions prises lors del'avant-projet se révèlent être bonnes tout en étant basées sur des prévisions faites àpartir de modèles relativement inexacts.

Si l'analyse de sensibilité démontre que certains aspects de l'avant-projet serontinfluencés de façon importante par les incertitudes du modèle, alors il faudra effectuerles prévisions avec un plus grand soin. Afin d'améliorer les prévisions, il faudra peut-être améliorer à la fois la simulation des apports et le modèle lui-même. Comme la figure5-l l'indique, il faudra faire en sorte que a) les observations et les mesures surlesquelles se base la simulation des apports soient améliorées et b) les méthodes decalcul utilisées pour le modèle soient améliorées. Il faudra répéter ce procédé plusieursfois, au moins en principe, jusqu'à ce que l'on atteigne un degré de confiancesatisfaisant vis à vis des décisions prises lors de l'étude et de l'avant-projet. Enfait, les contraintes financières et temporelles obligent souvent les décideurs à prendredes décisions définitives sans avoir examiné en profondeur le problème de lasédimentation. Dans ce-cas, ils doivent aux moins être conscients des conséquencespossibles de leurs décisions.

Une fois que le barrage est achevé et la retenue mise en eau, le volume sortant dusystème peut être calculé à partir d'observations et de mesures in situ et comparé auxprévisions. Ainsi, le modèle général peut être étalonné et ses composants seront vérifiéspar des mesures spécifiques. On peut éliminer les incertitudes de la simulation desapports en introduisant les quantités réelles d'apports liquides et solides dans lemodèle, telles qu'elles ont été observées depuis l'inauguration de la retenue. Ainsi, onpeut distinguer entre les erreurs dans la simulation des apports et les erreursinhérentes au modèle.

Les décisions prises lors de l'exploitation d'une retenue concernent les grandeslignes de l'exploitation et la gestion. Grâce à une gestion rationnelle, le taux desédimentation peut diminuer et les sédiments peuvent émigrer vers la tranche morte. Cettegestion, cependant, peut entrer en contradiction avec les besoins des usagers de l'eaustockée, et il faudra donc arriver à un compromis. Dans ce cas, des prévisionsrelativement exactes de la sédimentation seront nécessaires. L'exactitude est obtenueseulement par la combinaison de mesures in situ et de modèles mathématiques améliorés,parfois secondés par des modèles réduits.

Pour certains ouvrages, il faut appliquer des mesures de redressement coûteuses,comme le chapitre 4 l'explique. La décision d'appliquer des mesures si coûteuses doit sefonder sur une prévision fiable de la sédimentation actuelle et future de la retenue. Detelles prévisions ne sont possibles qu'avec des modèles correctement étalonnés.

La figure 5-2 démontre l'interaction entre la prévision et les décisions au stade del'exploitation de la retenue. Pendant le processus d'étalonnage, des instructions

172

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 184: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 185: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 186: Sedimentation Unesco

concernant l'amélioration des observations, des mesures in situ et des techniques demodèles pourront être émises après une comparaison du fonctionnement prévu avec lefonctionnement réel du système. Une fois que l'exactitude du modèle aura été confirmée,celui-ci sera utilisé pour fournir des prévisions à partir desquelles il sera possibled'améliorer le fonctionnement du système.

5-l-3 L'importance de la probabilité

Les prévisions de la sédimentation dans une retenue sont essentiellementstatistiques. Cela veut dire qu'il est impossible de faire une prévision exacte de l'étatfutur de la retenue ; on peut seulement affirmer la probabilité d'un tel état. Cela esttrès important, et il faut souligner que des méthodes de prévision quasi-déterministessont appliquées lors de l'étude préliminaire et de l'avant-projet uniquement à cause dumanque de temps et de ressources accordées à l'étude de la sédimentation. Une analyseapprofondie de la probabilité nécessiterait bien entendu une étude plus complexe quecelle basée uniquement sur des moyennes et des hypothèses.

Le rôle joué par la probabilité dans les prévisions a trois origines :

1 - La nature stochastique des apports hydrologiques

Le débit liquide, la concentration en matériaux solides et la granulométrie desmatériaux varient tous dans le temps de façon stochastique. Lors d'études de lasédimentation, ces facteurs doivent être simulés à partir d'anciens enregistrements,mesures et observations. Le remplacement des données stochastiques par des donnéesdéterministes (par exemple en répétant d'anciennes séries d'écoulements entrants) sejustifie uniquement en cas de contraintes imposées lors des études.

2 - La relation stochastique entre l'écoulement et le transport solide

L'écoulement de l'eau à travers une retenue est exprimé par des équationshydrodynamiques qui assument un lien déterministe entre l'écoulement entrant etl'écoulement sortant. Inversement, les rapports qui représentent le transport solidecomme étant fonction de l'écoulement ne sont pas du tout déterministes. La naissance dumouvement, l'évolution de la morphologie du lit, le transport des matériaux charriés ouen suspension et la décantation des particules sont tous des phénomènes stochastiques.Les rapports déterministes utilisés dans les calculs ne sont que des approximations, ouau mieux n'expriment que les rapports entre les valeurs moyennes des paramètres.

3 - La connaissance imparfaite de l'état du système

Comme il a été dit ci-dessus au paragraphe 5-l-2, les mesures et les observations àpartir desquelles sont définis les apports et l'état de la rivière et de la retenuecréent une image imparfaite du système.

On effectue des mesures et des observations de l'écoulement et des sédiments àpartir de prélèvements à certains points et moments donnés. Même un enregistrement encontinu de la cote de l'eau doit être chiffré afin d'être utilisé dans le modèle. Demême, une étude topographique de la rivière ou de la retenue est pratiquement toujoursbasée sur des mesures discrètes (par exemple, des profils en travers) qui sont ensuiteintroduites dans le modèle. La composition des sédiments au fond de la rivière et de laretenue est également définie à partir de prélèvements discrets. Tout prélèvement estlocalisé dans l'espace et dans le temps, et il y aura toujours des différences entre deuxséries de prélèvements aussi précises et compréhensives qu'elles soient. Du fait dumanque de temps et de ressources, le prélèvement de certaines variables (notamment cellesconcernant-lé transport solide) sera peut-être très sommaire, ce qui introduira un degré

175

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 187: Sedimentation Unesco

d'erreur non négligeable dans les renseignements obtenus. Une analyse montrerait trèssouvent que des prélèvements plus détaillés sont nécessaires pour améliorer lesprévisions.'

Certaines des variables du processus de la sédimentation ne sont mesurées in situque de façon imprécise. Il s'agit entre autres du transport par charriage, de la densitédes sédiments non-consolidés en eau profonde, etc... Les données obtenues. pour cesphénomènes sont, rares, incertaines et peu fiables dans la plupart des cas. Les valeursutilisées dans le modèle doivent souvent être estimées, ou provenir d'expériences encanal vitré ou de données venant d'autres retenues. On introduit ainsi un degréconsidérable-d'erreur dans tout modèle, et la seule façon de révéler l'effet de l'erreursur le résultat des calculs est d'effectuer une analyse de sensibilité. L'analyse desensibilité révèlera les éléments de prévision les plus importants, et par des effortssupplémentaires il est possible de réduire le degré d'erreur initial.

5-2 PREVISION DE LA SEDIMENTATION DANS UNE RETENUE

5-2-l Méthodes empiriques

Les méthodes empiriques de prévision sont basées sur des observations et des mesureseffectuées in situ dans plusieurs retenues à travers le monde. Leur application se limiteà quelques aspects seulement de l'étude préliminaire. Ce sont :

a) Une estimation de la quantité totale de sédiments qui demeurera dans la retenuependant un certain temps.

b) Une estimation approximative de l'emplacement de la majeure partie des sédiments.

Le rapport entre les sédiments demeurant dans la retenue et la quantité totale desmatériaux apportés par la rivière est appelé habituellement le "taux de décantation" dela retenue. Basé sur des données empiriques, ce taux est lié à plusieurs paramètres, telsque :

- le rapport entre la capacité de la retenue et les apports annuels,

- la période de rétention, qui est définie en divisant le volume de la retenue parle débit journalier,

- la capacité utile de la retenue, qui se définit comme le rapport entre le volumede la rivière et la zone de rivière contrôlée par la retenue.

On peut ajouter des précisions supplémentaires, telles que la classification dessédiments par leur grosseur ou la distinction entre les sédiments fournis localement etceux provenant de retenues à l'amont, Bogardi (1971) a établi un résumé très détaillé deces méthodes.

On utilise fréquemment deux méthodes d'origine américaine pour calculer le taux dedécantation : la méthode de Brune, basée sur le rapport entre la capacité et les apports,et la méthode de Churchill, basée sur un indice de la sédimentation obtenu en divisant lapériode de rétention par la vitesse moyenne de l'écoulement dans la retenue.

Ces méthodes sont apparues il y a plus de 30 ans, mais les recherches plus récentessur la sédimentation n'ont pas été systématiquement comparées aux observations de Bruneet Churchill. Dans les manuels et les livres récents sur le sujet les mêmes méthodes sontreproduites, et il semble que personne n'aie encore tenté de compléter ou de modifier cesgraphiques à partir de données nouvelles.

176

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 188: Sedimentation Unesco

Les deux méthodes citées sont résumées dans plusieurs ouvrages tels que le manuel del"A.S.C.E. "Sedimentation Engineering", le livre de W. H. Graf (1971), celui de Simons etSenturk (1978). celui édité par H.W. Shen (1971), et l'ouvrage de B.N. Murthy (1977).Nous éviterons donc de décrire ces méthodes dans le détail. La figure 5-3 reproduit lacourbe bien connue de Brune. On constate que lorsque le rapport capacité/apports estsupérieur à O,1, le taux de décantation dépasse 70 %, et lorsque ce rapport est de 0,2,le taux atteint 95-à 100 %. Ces rapports ont été confirmés par plusieurs cas précis, etils démontrent que les très grandes retenues retiennent pratiquement la totalité desapports solides.grandes retenues,

Cette constatation est importante lors de l'étude préliminaire deset l'on peut attendre le stade de l'avant-projet avant d'effectuer des

calculs plus précis concernant la distribution des matériaux dans la retenue. Lorsque lerapport capacité/apports est faible, la méthode de Brune est moins fiable. Cela estlogique, car les conditions hydrologiques dans les petites retenues varient énormément,selon la topographie, l'hydrologie et la nature des sédiments.

Figure 5-3 : Taux de décantation, d'après Brune (1953)

Les sédiments se décanteront partiellement dans la tranche morte, mais égalementdans la tranche utile. Des méthodes empiriques ont été proposées qui estiment ladistribution spatiale à partir de graphiques. Une des plus connues de ces méthodes a étéproposée par Borland et Miller (1958) et soutenue par Bondurant et alia (1978). Legraphique de la figure 5-4 démontre le rapport entre la quantité de sédiments déposéedans la tranche morte et la quantité totale déposée dans la retenue, en tant que fonctiondu rapport entre la tranche morte et la capacité totale de la retenue. Les auteurs ontclassé les retenues étudiées en‘ quatre catégories :

Type I - LacType II - Lit majeur en petites collinesType III - CollineType IV - Gorge

177

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 189: Sedimentation Unesco

Les graphiques sont basés sur des études de 51 retenues aux ETATS-UNIS. Ilsdémontrent que, par exemple, quand la tranche morte représente environ 10 % de lacapacité totale, les sédiments déposés dans la tranche morte représenteront entre 15 et70 % de la quantité totale de sédiments, selon le type de retenue.

La figure 5-5 montre d'autres renseignements fournis par Murthy (1977) concernant ladistribution spatiale des sédiments. Cette figure est basée sur des données provenant dequatre retenue en INDE. On peut constater que, mis à part la retenue très profonde deBhakra, la sédimentation se produit essentiellement dans la partie- supérieure de laretenue. La moitié environ des matériaux se déposent dans la partie peu profonde desretenues, où la profondeur est d'environ 20 et 30 % de la profondeur maximale. B. N.Murthy (1977) explique de façon intéressante la manière d'appliquer ces méthodes.

Du point de vue de l'utilisateur, les sédiments les plus importants sont ceux de laréserve utile dans la partie supérieure de la retenue. Cependant, les conditionshydrauliques varient énormément dans cette partie de la retenue, selon la topographie,l'hydrologie, la nature des, sédiments, etc... Dans de tels cas, la prévision à partir desimples graphiques empiriques est peu efficace, si ce n'est pour obtenir quelquesestimations préliminaires.

Le mécanisme général de la sédimentation dans une retenue s'exprime par la loiexponentielle proposée par Lapshenkov (1979) :

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 190: Sedimentation Unesco

Cette loi exponentielle exprime la progression de la sédimentation dans le tempsd'une façon qualitative. Le volume final de sédiments constitue une valeur qui seraitatteinte après une longue période d'exploitation de la retenue, c'est-à-dire une foisqu'un nouvel équilibre serait atteint. On peut 'estimer ce volume facilement ensoustrayant le volume de l'ancien lit de rivière du volume initial de la retenue.

Lapshenkov explique la façon de calculer l'indice E à partir de valeurs connues pourles paramètres. Ce calcul nécessite une utilisation parallèle de méthodes analytiques etempiriques. En principe, on peut calculer la valeur de l'indice d'une façon empirique àpartir de l'équation 5-2-l elle-même, si l'on connait le volume de sédimentsaprès un temps t.

Vxt

Une fois que l'indice Ex,t (qui peut varier d'un profil à un autre etégalement avec le temps) est connue, on peut faire des prévisions concernant la

sédimentation future dans la retenue à partir de la même équation. Cela peut s'avérerutile dans le cas de retenues en montagne subissant des crues brutales qui transportentde grandes quantités de matériaux pendant de très courtes périodes. On ne peut mesurer niles crues ni, le. transport solide dans ces rivières, mais on peut effectuer une étudetopographique du fond de la retenue (par exemple, à l'aide de photographie aérienne),puisqu'elle est vide pendant la plus grande partis de l'année. A partir de plusieursétudes topographiques successives, on peut calculer l'indice de sédimentation ExIt , etl'équation 5-Z-l sera utilisée pour estimer la sédimentation future.

5-2-2 Modèles mathématiques de la sédimentation dans une retenue

Les modèles mathématiques de la sédimentation dans une retenue sont basés sur leséquations du mouvement et de la continuité de l'eau et des matériaux solides sur un fondmobile. Depuis quelques années, plusieurs auteurs ont proposé des modèles ayant un degrévarié de complexité.

179

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 191: Sedimentation Unesco

Un modèle complet de la sédimentation dans une retenue demanderait unereprésentation mathématique du plan en trois dimensions de l'écoulement de l'eau et dutransport solide. Cela dépasse encore les possibilités des calculs hydrauliques. Pour lescas où un modèle à trois dimensions s'avère nécessaire, il faut-encore construire desmodèles réduits. Le modèle se base ensuite sur les principes de similarité des fondsmobiles.

Des modèles mathématiques pour des écoulements turbulents développés récemment parRodi (1961) permettent la résolution de champs d'écoulement à deux et à trois dimensions,avec certaines limites. En principe, il est possible d'ajouter un calcul de la quantiténette de sédiments à de telles solutions, et donc d'élargir la visée de ces modèlesmathématiques. Les essais de Hauguel (1977) et d'Ariathurai et Krone (1976). bien qu'ilsne s'appliquaient pas à la sédimentation des retenues, ont ouvert la voie pour de tellesapplications.

Cependant, pour les besoins pratiques, un modèle à une dimension suffit, et laplupart des travaux sur la sédimentation utilisent ce type de modèle. Les modèles décritspar Yücel et Graf (1973), Thomas et Prasuhn (1977), Cunge et Perdreau (1973). Bruk etMiloradov (1968, 1977, 1980) et d'autres, et mentionnés par Karaushev (1961), Bogardi(1971), Simons et Sentürk (1977) etc... se ressemblent tous quant aux simplifications etaux suppositions qui rendent leur utilisation possible. Celles-ci seront énumérées ci-dessus.

Les principales simplifications et suppositions appliquées fréquemment aux modèlesse basent sur les considérations suivantes :

a) La prédominance de la longueur d'une retenue sur les deux autres dimensions.Puisque la longueur de la retenue dépasse normalement sa largeur et saprofondeur, une approximation à une dimension est justifiée. On intègre ensuiteles équations de l'écoulement de l'eau et du transport solide sur le profil entravers (figure 5-6).

b) La différence entre la vitesse de modification des cotes de l'eau et celle descotes du lit. Les variations de la cote de l'eau en fonction des débitsdifférents sont plusieurs fois plus rapides que la réponse du lit à cesvariations (de Vries, 1973 et 1977). Cela permet de résoudre les équations pourl'écoulement de l'eau et pour le transport solide séparément, d'une façonconsécutive et non simultanée.

c) Les faibles valeurs pour les termes d'inertie dans les équations de l'écoulementde l'eau. Les équations d'écoulement à une dimension sont celles, bien connues,de Saint-Venant. Puisque la variation de débit dans une rivière est assez lente.le terme d'inertie est beaucoup plus faible que les autres termes dans leséquations de Saint-Venant. Par conséquent, on peut calculer les cotes de l'eau àpartir d'une séquence d'équations à état stable.

d) La connaissance imparfaite du transport solide. Les lois gouvernant le transportsolide ne sont pas connues parfaitement, ou en tout cas moins que celles quirégulent l'écoulement de l'eau. Il faut donc faire appel à des expressionsempiriques pour lier le transport solide à l'écoulement. Ces rapports sontgénéralement obtenus grâce à des expériences en canal vitré dans des conditionsd'écoulement uniformes, et ils comportent une marge d'erreur assez grande. Doncl'amélioration des équations du transport solide pour un écoulement non-uniformeou instable ne semblerait pas justifiée.

180

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 192: Sedimentation Unesco

e) Une topographie très irrégulière. Seulement des méthodes numériques peuvent êtreemployées de façon progressive de profil en profil.

Le procédé généralement employé pour faire un modèle de la sédimentation dans uneretenue peut donc être décrit ainsi (figure 5-7) :

1 - Pour un débit constant (le premier dans une série de débits constants dansl'hydrogramme du débit entrant) le profil du remous est calculé à partir d'uneméthode standard, en commençant par la limite inférieure de la retenue, qui estdéfinie par le rapport connu entre chute/débit.

2 - On calcule le transport solide, profil par profil, en commençant par la limitesupérieure et en avançant vers l'aval, en utilisant les formules de transportsolide disponibles (pour le débit charrié, le débit en suspension, ou le débitsolide total). Près de l'entrée de la retenue, la quantité d'apports solides estconnue grâce à l'hydrologie.

181

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 193: Sedimentation Unesco

1 i i+l

Figure 5-7 : Schéma pour le calcul de la sédimentation.

3 - D'un profil à l'autre, le débit solide est équilibré, en supposant que ladifférence entre les débits solides entrants et sortants constituera la quantiténette de matériaux déposés dans ce profil (ou dans le cas d'un résultat négatif,érodés de ce profil).

4 - Cette différence entre les débits solides entrants et sortants (exprimée enpoids ou en volume, selon la formule employée) est transformée en unemodification du lit de la retenue (exhaussement ou affouillement).

5 - Le calcul est ensuite répété avec la nouvelle morphologie de la retenue et lesdébits liquides et solides entrants correspondants.

182

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 194: Sedimentation Unesco

Plusieurs modèles mathématiques ont été développés suivant ce procédé. La figure 5-8constitue l'organigramme d'un de ces modèles qui a été développé au HydrologicalEngineering Center à Davis, aux ETATS-UNIS. Ce modèle, appelé le HEC-ô, a été développépar Thomas et Prasuhn (l977), et l'on peut se le procurer en s'adressant au U.S. Corps ofEngineers.

Malgré une apparente simplicité, l'application d'un tel modèle constitue toujours unproblème difficile qui doit être abordé avec beaucoup de précaution et d'attention. Ilest important de souligner que, du fait des limitations des équations principales et desnombreuses suppositions et simplifications, aucun modèle ne peut s'appliquer de façonuniverselle.

Un modèle qui est développé pour un cas donné doit toujours s'orienter vers des butsprécis. Il doit se fonder sur une solide connaissance des phénomènes en question, sanscomporter des détours ou des complications inutiles, qui ne contribuent pas à la solutiondu problème principal. Les données sur lesquelles se base le modèle doivent provenird'investigations in situ et non pas de manuels techniques.

Sans rentrer dans les détails, qui se trouvent dans les ouvrages de référence cités,il sera question maintenant des exigences et des limitations des modèles à une dimensionde la sédimentation dans une retenue.

Mesures in situ

Les données sur lesquelles le modèle est basé sont obtenues par les mesures in situsuivantes :

Des études topographiques à un moment donné, qui seront ensuite employées commepoint de démarrage des calculs. Aux stades de l'étude préliminaire et de l'avant-projet,on peut utiliser des cartes topographiques d'une échelle appropriée, sauf dans le cas dulit de la rivière, qui doit habituellement faire objet d'une étude topographique. Laphotographie aérienne peut être très utile, car elle fournit en plus des renseignementsconcernant la végétation et l'état de la surface.

Des observations et des mesures de la cote à plusieurs points le long de la rivièreentrant dans la retenue, dans la retenue et à l'aval de la retenue. Des observationseffectuées régulièrement aux stations de jaugeage doivent normalement être complétées pardes mesures supplémentaires nécessaires pour étalonner le modèle.

Des mesures de débit prises conjointement avec les mesures de cote (aux stations dejaugeage ou aux autres points d'observations supplémentaires).

L'étude des matériaux solides. Des mesures du débit charrié sont encore aujourd'huipeu fiables, et donc seul le débit en suspension peut être mesuré in situ. On peutestimer le débit charrié à partir de la granulométrie des particules, en employant lesformules appropriées pour le transport solide. La détermination de la granulométrie dudébit en suspension est indispensable à toute étude de la sédimentation. La mesure desformes du lit, tels que des bancs ou des hauts-fonds est également importante. Un autreparamètre important est la densité des matériaux du lit, et-dans une retenue existante,celle des sédiments.

Les valeurs obtenues

Les données de base obtenues in situ doivent ensuite être traitées afin de lesappliquer à un modèle à une dimension.

183

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 195: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 196: Sedimentation Unesco

Valeurs représentant la morphologie du lit :

La morphologie du lit de la rivière (ou de la retenue) dans son ensemble doit êtreexprimée par des valeurs utilisées en l'hydraulique à une dimension : le profil entravers A, la largeur du lit B, la profondeur moyenne H.. Le périmètre mouillé estgénéralement égale à la largeur du lit, et le rayon hydraulique égale à la profondeurmoyenne.

La morphologie naturelle du lit de la rivière est irrégulière, et pour les besoinsde calcul, le profil en travers doit être divisé en plusieurs parties, en séparant le litprincipal des dérivations de crue, des lits et des bras secondaires si nécessaire. Dansles rivières à méandres, la longueur des tronçons de rivière peut varier entre le litprincipal et le lit majeur; et elle peut varier aussi selon la cote de la rivière.

La représentation géométrique du lit de la rivière est une tâche très importante quiinfluence le résultat, des calculs. Dans certains cas, lorsque les conséquences del'aménagement sont très importantes, l'emploi de modèles réduits sera justifié.

Valeurs représentant l'écoulenient :

A partir des mesures directes de la vitesse de l'écoulement, on calcule le débitséparément pour chaque partie. La vitesse moyenne est dérivée du débit, et elle estnaturellement différente pour chaque partie du lit.

En fonction des besoins des calculs hydrauliques, on définit des valeurssupplémentaires pour l'écoulement telles que la contrainte tangentielle, la vitessetangentielle, etc...

La résistance ou la rugosité du lit constitue l'un des facteurs les plus importantsdes calculs de l'écoulement à une dimension, et elle doit normalement être calculée, àpartir de mesures in situ par étalonnage. Elle est exprimée par un coefficient derugosité (comme dans les formules de Chezy, Manning, Darcy-Weissbach ou dans d'autresformules pour l'écoulement uniforme) dont la valeur varie d'un tronçon à un autre etselon la cote de la rivière et l'endroit du lit.

Puisque les valeurs du coefficient de rugosité dépendent de la façon dont lagéométrie du lit a été représentée, le type de représentation utilisé pour les prévisionsdoit être le même que celui de l'étalonnage.

Valeurs représentant le transport solide :

A partir des mesures des concentrations de matériaux en suspension et 'des vitessesd'écoulement. on calcule un débit en suspension pour chacune des parties du lit, et undébit total. En vue des calculs hydrauliques à effectuer, le débit doit être exprimé entermes de granulométrie, et la dimension moyenne des particules en suspension doit êtrecalculée. Dans le cas des particules en suspension, on utilise' leur vitesse' dedécantation, qui est mesurée à partir de prélèvements pour calculer leur dimensionmoyenne. On obtient ensuite les diamètres correspondants à partir de tableaux ou deformules si nécessaire.

A partir des prélèvements de matériaux charriés et de leur granulométrie, on doitcalculer la granulométrie moyenne des matériaux charriés le long de la rivière (pour lesparties du lit utilisées dans les calculs).

185

-

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 197: Sedimentation Unesco

Fonctions et corrélations auxiliaires

Puisque les prises de mesures envisagées pour un projet spécifique s'étendent surune courte période seulement (quelques années). il est nécessaire de procéder àl'extrapolation des données sur une plus longue période. Cette extrapolation peut êtreeffectuée à partir de corrélations entre les paramètres concernés, pour établir desrapports qui puissent être utilisés dans le modèle.

Des rapports ou corrélations typiquement utilisés pour "remplir les trous”, pourextrapoler ou pour compléter les données existantes sont :

- des rapports qui représentent les variations de la rugosité du lit comme une fonction des variations de cote ou de débit,

- des rapports qui représentent les variations du débit en suspension comme unefonction du débit liquide,

- l'interdépendance entre la dimension des matériaux en suspension (exprimée par lavitesse moyenne de décantation par poids ou par le diamètre des particules ensuspension) et le débit des matériaux en suspension,

- des rapports qui expriment l'influence du débit sur le diamètre moyen desmatériaux charriés,

- le lien entre. la densité des sédiments et leur granulométrie, leur situation enprofondeur, et leur-âge.

Puisque tous ces rapports se basent sur la corrélation de données empiriques, lespoints sont très éparpillés ; on introduit donc parfois des précisions. Une analysestatistique des corrélations est parfois souhaitable afin de définir les limites defiabilité, qui peuvent être utilisées plus tard dans l'analyse de sensibilité de laperformance du modèle.

Simulation des données entrant dans le modèle

Les données qui entrent dans le modèle consistent en une série de débits liquides etsolides à l'entrée de la retenue (ou aux entrées, si la retenue est nourrie par plusieursrivières). On doit entrer séparément le débit solide en suspension et le débit solidecharrié, et leurs granulométries doivent être spécifiées en vue des calculs suivants.

Des historiques des débits liquides et solides sont en général trop courtes ousommaires. Des séries doivent donc être produites à l'aide des corrélations mentionnéesci-dessus. A la place d'historiques, on peut produire des séries simulées à l'aide decertains rapports entre les propriétés statistiques des historiques de divers ordres demagnitude. Le degré de fiabilité de ces séries simulées est cependant assez faible, dufait du nombre de variables rassemblées avec des corrélations très faibles.

Limites

Puisque l'écoulement dans une retenue est d'une importance secondaire, seulement laconnaissance de la limite aval est nécessaire pour les calculs du remous. On la calcule àl'aide d'un rapport chute/débit qui est contrôlé par le barrage dans la partie inférieurede la retenue et qui reflète l'exploitation de la retenue.

Formules de transport solide

La prévision de la sédimentation dans une retenue dépend en grande partie desformules de transport solide qui sont utilisées pour calculer la quantité de sédiments

186

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 198: Sedimentation Unesco

déposés. Cependant, ces formules présentent un grand degré d'incertitude.

Formules du débit charrié :

Le principal inconvénient des formules du débit charrié provient de la difficulté,voir l'impossibilité (pendant des crues importantes), de mesurer le débit charrié. Parconséquent, des formules ont été développées à partir d'expériences en canal vitré, etelles sont toutes intrinsèquement empiriques, malgré des considérations rationnellesjustifiant leur structure. Les expériences en canal vitré ont été effectuées dans desconditions contrôlées, avec un écoulement plus ou moins uniforme.

Aujourd'hui on utilise un grand nombre de formules pour le débit charrié, et cesformules se trouvent dans des ouvrages sur le transport solide. Les résultats des calculseffectués à partir de ces formules peuvent différer de façon considérable. Le choix d'uneformule est fonction d'une tradition ou d'une préférence personnelle. En général, lesformules suivantes sont les plus répandues (Bruk, 1973) :

En Europe Occidentale : Meyer - Peter - Muller (avec des modifications), Engelund -Hansen, Bagnold

Aux ETATS-UNIS : la formule d'Einstein ou d'Einstein-Brown, Laursen,Toffaleti,, Engelund-Hansen

En U.R.S.S. : Karaushev, Goncharov, Shamov, Levi

Les formules récentes se conforment mieux aux données existantes provenant de canauxvitrés, car elles ont été élaborées à partir d'une plus grande quantité de données queles anciennes formules. La conformité aux points empiriques demeure cependant assezmédiocre. La figure 5-9 d'après Vries (1982) est une courbe de probabilité pour laprévision du transport solide à l'aide de deux formules (celle d'Engelund-Hansen et celled'Ackers-White). Elle compare le transport solide prévu au transport. solide réellementmesuré lors d'expériences en canal vitré. Dans une rivière naturelle la marge d'erreurest encore plus grande, quoique cela soit difficile à vérifier puisque les taux detransport charrié sont mal connus.

Figure 5-9 : Courbe de probabilité du rapport prévu par rapport aux débits. solides mesurés(de Vries, 1982)

187

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 199: Sedimentation Unesco

Le fort degré d'erreur des prévisions du transport charrié rend l'introduction deméthodes de calcul plus sophistiquées illusoire (transport solide non-uniforme ou mêmeinstable).

Le débit en suspension :

Le calcul du débit en suspension dans un modèle à une dimension se fait à partir deformules qui expriment la capacité de l'écoulement à transporter une certaine quantité departicules en suspension d'une grosseur donnée. La quantité réellement transportée seraégale à la capacité de transport seulement s'il existe une quantité suffisante dematériaux disponibles, soit arrivant de l'amont, soit dans le lit. La figure 5-10représente le comportement des particules en suspension dans des conditions d'écoulementvariées (d'après Rossinski et Kurmin, 1968, et Miloradov, 1974). La sédimentation seproduit lorsque la quantité de matériaux dépasse la limite supérieure, représentée par letrait supérieur sur le graphique. L'érosion du lit se produit lorsque la quantité dematériaux est inférieure à une certaine limite (le trait inférieur du graphique). Entreces deux limites, l'écoulement peut transporter une quantité de matériaux en suspensionnon définie.

Le calcul de la capacité de transport se fait à partir de données empiriques,quoiqu'il existe une base théorique qui explique le mécanisme du transport solide (Bruk,1980). Bruk et Miloradov recommande l'utilisation de la formule Rossinski-Kuzmin,puisqu'elle rassemble tous les paramètres mesurables de l'écoulement, et elle est doncbien adaptée à l'étalonnage-des rivières en question.

Le débit total :

La somme du débit charrié et du débit-en suspension est parfois appelée le "débittotal", et plusieurs formules ont été proposées pour calculer son ordre de grandeur(Einstein, Toffaleti, voir par exemple Simons et Senturk, 1977). Dans ces formules, lavaleur attribuée au débit en suspension provient de l'intégration de la distributionverticale de la concentration si l'on considère que la valeur de la concentration auniveau du lit peut être dérivée du transport charrié. Les formules du débit totalréunissent les caractéristiques des formules du débit charrié et du débit en suspension.Elles sont entièrement empiriques malgré des concepts théoriques qui peuvent êtreutilisés dans leur élaboration.

La densité des sédiments :

Puisque les calculs de la quantité de matériaux déposés sont effectués en unités demasse et les modifications du lit sont exprimés en unités de volume, la densité desdépôts est une valeur importante, sur laquelle repose la prévision de la sédimentationdans une retenue. Tandis que dans le cas des matériaux grossiers (graviers et sables) onpeut effectuer d'assez bonnes estimations de la densité des sédiments en utilisant desdonnées des ouvrages de référence (par exemple, ASCE, 1975), les valeurs estimées pourles matériaux-fins et très fins peuvent varier considérablement.

Dans plusieurs retenues, on a mesuré des densités de limon et d'argile proches del'unité. Il a été proposé de calculer la densité en tenant compte de la vitesse dedécantation des particules, de la minéralogie, de l'âge des dépôts, de l'exploitation dela retenue, etc..., mais jusqu'à présent il n'existe pas de réponse concluante. Une façonpratique de surmonter cette difficulté est de faire la meilleure évaluation possible desdensités 'attendues à partir des données disponibles, et de définir les limites desvariations possibles qui peuvent être utilisées dans l'analyse de sensibilité.

Dans le cas où l'on applique le modèle à des retenues existantes afin de prévoirleur évolution future, il est nécessaire de prendre des mesures in situ pour calculer la

188

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 200: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 201: Sedimentation Unesco

densité des sédiments. Les méthodes utilisées pour les mesures in situ ont étéconsidérablement améliorées comme le chapitre 2 l'indique.

Modification topographique d'une retenue

Puisque tous les calculs-sont à une dimension, la position exacte des sédiments àl'intérieur d'un profil en travers d'une retenue demeure indéfinie. Plusieurs hypothèsespeuvent être émises, mais aucune n'est réellement justifiée. Une diffusion uniforme dessédiments sur le fond de la retenue serait peu probable (figure 5-11a) ; l'hypothèsed'une décantation des sédiments en proportion avec la profondeur de l'eau est plusplausible (figure 5-llb). Si la rivière comporte des bras secondaires, il est probableque le bras le moins profond sera comblé en premier, etc... Pour les projets importants,on peut utiliser des modèles réduits pour prévoir la modification de la morphologie dulit.

a b

Figure 5-11 : Modifications hypothétiques imaginées pour le lit d'une retenue

a) Distribution uniforme des sédimentsb) Profondeur du dépôt proportionnelle à la profondeur du lit

5-3 PREVISION DE LA RECUPERATION ET DE LA PRESERVATION DE LA CAPACITE

5-3-l Un modèle de l'écoulement instable se produisant lors de vidanges et de chasses

Lorsque les modifications de l'écoulement surviennent rapidement, l'estimation dutransport liquide et solide à l'aide d'une séquence de situations en état stable n'estpas efficace. Pour ces cas il faut employer les équations de Saint-Venant en versioncomplète, y compris avec leurs termes d'inertie, termes que l'on pouvait négliger dansl'étude de la sédimentation d'une retenue.

Une telle situation instable se produit à l'occasion des opérations de chasse et devidange. Ces opérations peuvent être effectuées lorsqu'une partie de l'eau stockée dansla retenue n'a pas été utilisée, ou lorsque cette eau est sacrifiée délibérément dans lebut de récupérer de la capacité perdue. Cavor et Slavic (1983) ont développé une approchemathématique pour ce problème et ils l'ont appliquée à la retenue de Sefid Roud en Iran.

En même temps que les équations de Saint-Venant représentent l'écoulement instablede l'eau, le transport solide est exprimé par une équation (représentant le transportthermique ou massique dans le lit) qui est intégrée et dont la moyenne est calculée surle profil en travers (Jirka, 1975) :

190

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 202: Sedimentation Unesco

Figure 5-12 : Schéma qui définit l'équation de la dispersion longitudinale

En employant cette équation, on suppose une réponse immédiate du transport solideaux variations de vitesse de l'écoulement instable. La variation combinée de YPTFapparaît comme une conséquence de la déviation systématique à la fois de la vitesse et dela concentration de la moyenne spatiale. Elle est habituellement exprimée parallèlementau flux turbulent TÏY comme ceci :

où EL représente le coefficient de la dispersion longitudinale. La valeur de cecoefficient, et donc celle du flux de dispersion W , varie à l'intérieur de limitesconsidérables (Fisher, 1969), et l'étalonnage permet de l'estimer pour des lits naturels.Le coefficient de diffusion. KT est généralement plus faible, et deux coefficientspeuvent être combinés dans l'étalonnage.

191

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 203: Sedimentation Unesco

La réponse des sédiments est exprimée par le terme Qss . On calcule sa valeur àpartir de la modification immédiate de la capacité de transport de l'écoulement :

Q SS = y1,2 2 (5.3.3)

lorsque la capacité de transport C T peut être déterminée à l'aide d'une formuleadaptée. Dans ce cas particulier, la formule de Rossinski et Kusmin (1964) a étéutilisée. Cependant, n'importe quelle formule pourrait en principe être utilisée dumoment que des vérifications ou des étalonnages in situ l'aient confirmée.

Dans l'équation 5.3.3, le coefficient Y, représente le retour en suspension, tandisque Y! 2 représente la sédimentation. Leurs valeurs doivent être déterminées à l'aided'étalonnage (on a obtenu des valeurs entre 0.20 et 0,35 pour \fl,'et entre 0,05 et 0,15pour Y2).

Le système d'équations présenté ci-dessus comporte plusieurs coefficients empiriquesqui doivent être détermines par l'étalonnage. Dans le cas de la retenue de Sefid Roud, ona étudié deux opérations de chasse (en 1980 et 1981). Pendant les deux opérations on amesuré les débits liquides et solides entrants, les variations de cote, et les débitsliquides et solides sortants.

Une fois étalonné, ce modèle pourra aider à prévoir les effets des chasses. Il estensuite possible de sélectionner le type de chasse le plus efficace pour la retenue enquestion.

S-3-2 L'érosion régressive

Pour le cas particulier de l'érosion régressive, Fan et Jiang (1980) ont proposé uneméthode de calcul simplifiée qui d'après eux s'est montrée efficace dans le cas de laretenue de Sanmenxia. Cette méthode se fonde sur la différence entre la quantité desédiments érodée et les quantité de matériaux solides entrants et sortants (figure 5-13).

Figure 5-13 : Schéma pour l'érosion régressive

d W-Volume de sédiments érodés pendant un temps A tAW = (QS, -QS, ) at (5.3.4)

192

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 204: Sedimentation Unesco

Les coefficients sont expliqués dans la figure 5-13. Les quantités de matériauxsolides entrants et sortants sont exprimées en termes de poids (ou de masse).

La quantité de matériaux entrants est obtenue à l'aide de l'hydrogramme des apports.La quantité de matériaux sortants est calculée par une équation empirique, qui estélaborée à partir de mesures dans la retenue de Sanmenxia :

(5.3.5)

où Q, est le débit liquide sortant.

Les auteurs ont calculé le volume érodé en supposant une géométrie simplifiée pourl'affouillement. comme en témoigne la figure 5-14 :

4

Figure 5-14 : Le calcul de l'érosion régressive d'après Fan et Jiang (1980)H - profondeur de l'écoulement ; z - abaissement de la cote ; h -affouillement

193

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 205: Sedimentation Unesco

Cette méthode a été appliquée avec efficacité par des ingénieurs chinois (Qian,1982). Elle requiert apparemment de bonnes mesures in situ, et elle ne constitue pas unmodèle universellement applicable à l'évacuation de sédiments d'une retenue.

5-3-3 L'évacuation des courants de densité

Dans l'état actuel des connaissances, il n'est pas encore possible d'effectuer unetranscription mathématique complète de la naissance, la propagation, la transformation etla sortie des courants de densité qui pénètre dans une retenue. Cependant, les équationsde base sont bien définies, et en employant certaines suppositions et approximationssemi-empiriques, ceux qui travaillent sur la conception du barrage peuvent obtenir desprévisions assez fiables (Qian, 1982).

L'équation pour le mouvement d'un courant de densité peut être écrite de la façonsuivante (Fan, 1979) :

La figure 5-15 explique les coefficients.

Ainsi, l'équation du mouvement d'un courant de densité diffère de celle pourl'écoulement instable de Saint-Venant en ce que le constant de gravité est diminué en lemultipliant par (~2 - p1 )/Q .

L'équation de continuité, qui ne comporte pas de coefficient de gravité, demeureinaltérée :

(5.3.9)

Le terme à droite englobe l'échange massique entre le courant de densité et le courantsuperficiel.

La principale différence entre l'équation de Saint-Venant et la dernière est qu'icila gravité diminuée n'est pas une constante, mais dépend plutôt de la différence dedensité entre le courant turbide au fond et le courant superficiel de la retenue.Cependant, la densité du courant de fond varie selon la concentration en matériauxsolides. Les particules peuvent décanter partiellement le long de l'itinéraire de ce

194

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 206: Sedimentation Unesco

Figure 5-15 : Schéma pour les équations de courants de densité

courant, mais ils peuvent également être prélevés du lit. Par conséquent, il faut ajouterune équation de transport ayant la forme de l'équation (5.3.1.) aux deux équationsprécédentes.

La résolution de l'ensemble des équations ci-dessus exige une définition des limitesde la retenue, ainsi qu'une estimation des termes inconnus (tels qua la rugosité, letransfert de la force vive, l'échange massique, la diffusion, etc...).

Limite supérieure

La limite supérieure est définie par un profil en travers où l'eau turbide plongeen-dessous de l'eau claire immobile (figure 5-E).

Figure 5-16 : Point de submersion d'un courant de densité (Fan, 1960)

195

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 207: Sedimentation Unesco

La figure 5-16 démontre clairement qu'au fur et à mesure que la profondeur augmentedans la zone de transition entre l'écoulement normal et le courant de densité la vitesse'diminue. Au point de submersion la vitesse devient minimale et la profondeur du courantturbide approche son maximum. (Fan, 1960). Donc,une valeur minimale à cet endroit,

l'énergie spécifique de l'écoulement ac'est-&-dire que le chiffre de Froude a une valeur

d'unité :

En fait, la valeur critique réelle du chiffre densimétrique de Froude est inférieureà l'unité, et des données expérimentales indiquent qu'elle est égale à :

La différence provient de la courbe des courants naturels.

Par conséquent, l'écoulement d'un courant de densité n'est pas influencé par sapartie aval. Son évolution est fonction de la pente du fond et des caractéristiques dulit.

Limite inférieure

L'écoulement au niveau de la limite inférieure est contrôlé par les vidanges de fonddu barrage. Des mélanges d'eau claire et d'eau turbide pénètrent dans les vidanges, et laproportion de chaque élément dépend des positions relatives de l'interface et desvidanges, ainsi que du débit lâché.

La solution classique de Craya (1949), qui a été confirmée et utilisée par denombreux autres, concerne une stratification en deux parties et une profondeur non-restreinte. Les densités des deux couches sont constantes. On peut définir les valeurscritiques du chiffre densimétrique de Froude pour une fente ou pour un orifice :

196

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 208: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 209: Sedimentation Unesco

Doc

umen

t pro

duit

par

reco

nnai

ssan

ce o

ptiq

ue d

e ca

ract

ères

(O

CR

). D

es e

rreu

rs o

rtho

grap

hiqu

es p

euve

nt s

ubsi

ster

.P

our

accé

der

au d

ocum

ent d

'orig

ine

sous

form

e im

age,

cliq

uez

sur

le b

outo

n "O

rigin

al"

situ

é su

r la

1èr

e pa

ge.

Page 210: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 211: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 212: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 213: Sedimentation Unesco

résistance générale, sous la forme habituelle d'un coefficient de résistance. D'après Fan(1960, 1961), l'on peut obtenir de bons résultats en employant la valeur appropriée ducoefficient de friction de Darcy-Weissbach, de 0,025 à 0.03.

Capacité de transport d'un courant de densité

Les particules grossières sont rapidement déposées par le courant après leur entréedans une retenue. Le courant de fond contient donc seulement des particules fines ayantun diamètre moyen de l'ordre de 0,002 à 0,003 mm, et D 90 de l'ordre de 0,0l à 0.1 mm. Laconcentration en matériaux solides varie cependant le long du courant de fond ; unediminution de la vitesse entraîne la décantation des particules, et une augmentation dela vitesse (causée par la morphologie du lit) entraîne le retour en suspension desmatériaux.

La capacité de transport d'un courant de densité peut en principe être estimée àl'aide des méthodes habituellement employées pour les rivières transportant desmatériaux, c'est-à-dire à l'aide des formules semi-empiriques décrites dans lesparagraphes précédents. D'après des observations faites sur des retenues en CHINE(Guanting et Sanmenxia), Fan (1981) a proposé un graphique qui montre le rapport entre lacapacité d'un courant de densité à transporter des particules d'une certain dimension(exprimée par D 90) et la vitesse de l'écoulement (figure 5-19).

Fan suppose ensuite que le courant est capable de transporter uniquement lesparticules ayant un diamètre inférieur aux valeurs données, et il calcule de nouveau laconcentration en matériaux solides à partir de la granulométrie des matériaux entrants.

202

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 214: Sedimentation Unesco

Méthodes dé calcul

L'ensemble d'équations décrit ci-dessus, ensemble avec des limites et des constantesdéfinies de façon appropriée, peut être employé afin de développer des modèlesmathématiques utilisant des méthodes numériques pour résoudre les équationsdifférentielle6 de l'écoulement instable. Les nombreuses suppositions et simplificationsqui doivent être effectuées afin de développer un tel modèle exigent l'étalonnage par desmesures in situ. Cependant, il existe très peu de données, ce qui explique probablementque personne n'aie encore tenté de proposer des modèles complets malgré la disponibilitédes moyens de calcul.

Fan et alia (1962) ont proposé une méthode de calcul simplifiée, basée sur ladivision d'une retenue en tronçons, et l'application des équations d'écoulement uniformeà chaque tronçon. Ce calcul consiste en 18 étapes successives, appliquées par Fan à deuxexemples : le cas bien connu du lac Mead aux ETATS-UNIS (1935) et le cas de la retenue deGuanting en CHINE (1954).

5-4 PREVISION DE L'AFFOUILLEMENT A L'AVAL

L'affouillement du lit de la rivière à l'aval des barrages est une conséquence de larétention des sédiments par le barrage. La capacité de transport de l'écoulement n'estpas augmentée par rapport au régime naturel de la rivière, mais l'écoulement d'eau claireprélève des matériaux du lit et les transporte plus loin par charriage ou en suspension.L'érosion du lit se poursuit jusqu'à ce qu'un nouvel équilibre s'établisse entre lacapacité de transport de l'écoulement et la résistance du lit (figure 5-20).

RIVIERE

LIT FINAL

Figure 5-20: L'affouillement du lit de la rivière à l'aval d'un barrage

L'affouillement du lit peut avoir-plusieurs conséquences : l'érosion des berges,l'érosion par en-dessous des digues, des structures sur la rivière. des pieds-droit deponts ; la détérioration du cours navigable y compris les ports fluviaux et leursstructures, etc... La prévision de l'érosion à l'aval constitue donc uns tâche importantelors de la conception du barrage.

203

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 215: Sedimentation Unesco

Depuis quelques années, de nombreuses méthodes de calcul ont été développées pourprévoir l'érosion ou l'affouillement du lit à l'aval d'un barrage. La plupart se basentsur des considérations théoriques et des expériences en canal vitré, et très peu ont étéconfirmées par des mesures in situ (Hammad, 1972).

Des formules empiriques basées sur l'expérience in situ ont été également proposées(par exemple par Priest et Shindale, 1969). Cependant, elles n'ont pas un caractèreuniversel et ne seront pas traitées ici. Du point de vue des modèles mathématiques, iln'y a pas de différence entre les phénomènes de sédimentation et d'affouillement. Enprincipe, les modèles se basent sur la quantité nette de matériaux solides, tronçon partronçon, où le déficit est créé par l'érosion du' lit (et inversement où l'excédent estdéposé dans-la retenue ou dans le lit de la rivière). Les équations pour l'écoulement etle transport solide ont été traitées dans le paragraphe 5-2, et il est donc inutile deles répéter ici. Des modèles conçus pour la sédimentation dans une retenue peuventégalement être employés pour prévoir l'érosion à l'aval, pourvu que le modèle contiennequelques facteurs nécessaires. Par exemple, le programme HEC-6 est recommandé pour laprévision à la fois de la sédimentation et de l'affouillement (Thomas et Prasuhn. 1977),On a tenté plusieurs fois de résoudre les équations pour l'affouillement de façonanalytique,, mais cela présente peu d'intérêt pratique du fait des grosses simplificationset des suppositions non-confirmées qui doivent être introduites. L'irrégularité du lit,l'écoulement variable et les caractéristiques des matériaux solides impliquent uniquementdes méthodes numériques, comme c'est le cas pour les problèmes de sédimentation dans uneretenue.

Quelques aspects spécifiques des modèles pour la prévision de l'érosion à l'avalmérite uns attention particulière.

La nature érosive du lit de la rivière

Lorsque le lit se compose de sables uniformes, l'érosion se poursuivra jusqu'àl'apparition de roches ou d'autres matériaux plus résistants sous les couches de sable,ou jusqu'à ce que la vitesse de l'écoulement soit diminuée par des facteurs à l'aval.Lorsque le lit se compose de sables gradués ou de graviers, les particules fines serontemportées en premier, et le lit sera petit à petit recouvert par les matériaux grossiersrestants. Ce phénomène s'appelle le "pavage", et il exerce un effet préventif importantcontre l'érosion. Lorsque le lit est composé d'un sol compact, son érosion dépendra de laquantité et du type d'argile présente dans le sol.

Le mouvement naissant des alluvions dissociés peut être exprimé soit en termes d'unevitesse critique soit en termes d'une force tangentielle critique. Les deux approchessont également justifiées et peuvent être employées dans le modèle. Une analyseexcellente des conditions critiques a été fournie récemment par le livre de Stelczer(1980). Lors des applications. les conditions critiques sont déterminées à partir deschémas empiriques ou de formules (par exemple, le schéma de Shields pour la contraintetangentielle critique ou le schéma de Hjulstrom pour les vitesses critiques), développésinitialement pour des particules uniformes. Lorsque les particules ne sont pas uniformes,la formule d'Egiazaroff (1965) est recommandée, qui provient de recherches intensives enlaboratoire (Rakoczi, 1975). Il est facile d'étudier le mouvement naissant avec deséchantillons de matériaux charriés dans un canal vitré.

Lorsqu'il s'agit de sols compacts, Ariathurai (1980) a préconisé des étudesspécifiques en laboratoire d'échantillons prélevés du lit de la rivière. Les échantillonsont été testés dans un appareil à cylindre rotatif que décrit Kandiah (1974). Lespropriétés chimiques des échantillons, telles que leur capacité d'échange' cationique(CEC), ont été également étudiées afin de préciser le type et la quantité d'argileprésente dans le sol. Ariathurai est parvenu à une bonne corrélation entre la CEC et lacontrainte tangentielle critique.

204

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 216: Sedimentation Unesco

La densité des matériaux charriés

Puisque le transport solide est calculé en termes de masse (ou de poids), le déficit(ou excès) doit être converti en unités de volume afin de pouvoir prévoir lesmodifications du lit. La densité sèche des matériaux du lit constitue donc un paramètretrès important des calculs. Des formules ou graphiques existent qui établissent unrapport entre la densité sèche et la granulométrie ou d'autres caractéristiques desmatériaux, comme il a été dit au paragraphe 5-2. Dans le cas des matériaux fins, laprévision de la densité n'est pas fiable, et il faut donc déterminer la densité in situchaque fois que cela est possible, à partir d'échantillons intacts. Le chapitre 3 de cerapport traite des différentes méthodes de prélèvement d'échantillons.

L'estimation du pavage et de la stabilité de la couche de pavage

Puisque le pavage se développe lors de l'enlèvement des matériaux fins du lit, unmoyen facile d'estimer la composition de la couche de pavage consiste à séparer de lagranulométrie initiale toute particule ayant une vitesse (ou contrainte tangentielle)critique 'Inférieure à celle de l'écoulement. La figure 5-21 est une illustration de cetteméthode.

205

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 217: Sedimentation Unesco

Ce modèle simple a été amélioré par Gessler (1970, 1971). Gessler a avancél'hypothèse que dans un écoulement turbulent, la vitesse et la contrainte tangentiellesubissent toutes les deux des variations, et que par conséquent il n'existe pas de limiteprécise entre les particules mobiles et immobiles. Il a supposé que la contraintetangentielle était normalement distribuée autour de sa valeur moyenne (en obtenant defaçon empirique une déviation standard égale à 0,57), et donc que la probabilité que lacontrainte tangentielle soit inférieure à une valeur critique est exprimée parl'intégrale :

La probabilité de P (T ( Tc) représente aussi la probabilité que les particulesayant un diamètre supérieur à D,,it ne soient pas emportés par l'écoulement. Parconséquent, la couche de pavage contiendra également des particules d'un diamètreinférieur à Dcrit . La figure 5-21 illustre l'élaboration d'une nouvelle courbegranulométrique d'après la méthode de Gessler.

La méthode de Gessler a été très largement utilisée par d'autre auteurs, bien quedes doutes aient été exprimés au sujet de la validité en général de la distributionnormale des contraintes tangentielles, particulièrement celles ayant une déviationstandard de 0,57. Il est donc souhaitable d'effectuer des études expérimentales enlaboratoire et in situ.

206

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 218: Sedimentation Unesco

'Lors d'une étude expérimentale, Little et Mayer (1976) ont proposé plusieursformules empiriques pour calculer la granulométrie dans des couches de pavage. Cesformules s'appliquent bien entendu aux matériaux étudiés uniquement. Rakoczi (1977) apréconisé l'analyse de la distribution granulométrique de tronçons-de rivière ayant été"pavés", afin d'examiner l'évolution du phénomène de pavage.

Le pavage se produit uniquement à partir de matériaux non-homogènes. D'après Knoroz(cité par Lapshenkov, 1979), les conditions nécessaires au pavage sont exprimées par le

rapport :

u90 >5=50

(5.4.3)

Une formule plus complexe proposée par le même auteur est citée par Simons et Sentürk(1977).

Les particules dans une couche pavée se placent de façon à exercer un minimum derésistance à l'écoulement. La couche pavée peut donc être détruite uniquement par desforces tangentielles (ou des vitesses) nettement supérieures à celles qui ont entraîné saformation. D'après Rakoczi (1977), la désintégration d'une couche pavée se produiralorsque la contrainte tangentielle dépasse la valeur critique correspondant au D 95 de ladistribution initiale de la granulométrie.

Gessler (1971) a défini une valeur moyenne pour la probabilité qu'un mélange non-homogène de sédiments restera stable, à partir de l'hypothèse d'une distribution normalede la contrainte tangentielle. Ainsi,

Le lit serait parfaitement stable lorsque PA = 1, ce qui est possible seulementlorsque T = 0. D'autre part, les matériaux ne résisteraient pas du tout si ?'A = 0,. cequi représenterait un cas de contrainte tangentielle infinie. Entre ces deux extrêmes.Gessler a estimé que le lit sera stable si PA est supérieur à 0,5. D'autres auteurs(Thomas et Prasuhn, 1977) ont cependant préféré attribuer une valeur supérieure à ceparamètre : ils ont estime que la couche pavée sera stable seulement si FA est supérieurà 0,65.

Lorsqu'il s'agit de cas importants, on peut régler la question de la stabilité de lacouche pavée en effectuant des tests spécifiques sur des échantillons du lit en canalvitré.

La stabilité des berges de la rivière

Une conséquence importante de l'affouillement du lit est l'érosion des berges. La

207

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 219: Sedimentation Unesco

stabilité des berges doit être vérifiée à l'aide des méthodes utilisées en mécanique dessols. Il est nécessaire de prélever des échantillons de sol intacts ou d'effectuer destests de stabilité in situ afin de pouvoir estimer les effets de l'affouillement du lit.

Le contrôle à l'aval

L'affouillement du lit est limité à l'aval par une section de contrôle, qui peutêtre un seuil naturel, un rocher ou simplement le remous créé par l'entrée de la rivièredans une autre rivière ou dans la mer-. Des structures artificielles,. telles que seuils,déversoirs, ou barrages peuvent également constituer des contrôles. On calculenormalement 1'affouillement du lit à partir de la section de contrôle à l'aval (puisquel'écoulement est en général sans importance) et on continue vers l'amont jusqu'aubarrage. Dans les ouvrages russes, on appelle le contrôle à l'aval "la base d'érosion".

Les caractéristiques de l'écoulement sortant de la retenue

Le régime de l'écoulement sortant de la retenue sera en général assez différent durégime naturel de la rivière. Les débits des crues seront diminués de façon considérable,selon la capacité de la retenue, l'hydrogramme des crues et l'exploitation de la retenue.Puisque le mouvement des matériaux atteint son maximum pendant les crues, la capacité detransport de la rivière peut être considérablement diminuée par la construction dubarrage. Cela est un fait important qui limite l'érosion jusqu'à un certain degré.

D'autre part, si la retenue sert à produire de l'électricité, l'écoulement sortantvariera de façon important;, surtout s'il s'agit d'une production de pointe. Cela peutcréer une capacité de transport supérieure à celle de l'écoulement naturel. Il fautsouligner que, du fait de la forte instabilité de l'écoulement, les termes d'inertie deséquations de Saint Venant ne doivent pas être négligés, comme il est souvent le cas dansl'hydraulique fluviale.

Concentration en matériaux solides de l'écoulement sortant de la retenue

Puisque l'érosion dépend de la saturation de l'écoulement à l'aval du barrage, ilest important d'obtenir des données fiables concernant la concentration en matériauxsolides de l'écoulement sortant. Au stade de l'avant-projet, ces données peuvent êtreobtenues seulement à l'aide des calculs de la sédimentation dans la retenue. Laconcentration et la granulométrie des sédiments constituent deux facteurs égalementimportants. Il est évident que la chasse des sédiments ou la dérivation d'écoulementsturbides à l'aval du barrage aident à freiner l'affouillement du lit de la rivière.

La rugosité du lit

L'évolution des matériaux dans le lit vers une dimension plus grossière est parfoisprise en compte dans les calculs, en modifiant de façon appropriée le coefficient derugosité (Egiazaroff, 1967). Cependant, puisque la rugosité du lit n'est qu'un desfacteurs qui déterminent la résistance du lit, en même temps que les irrégularités dulit, les méandres, les obstacles, etc..., elle demeure d'une importance relativeseulement.

Les modifications du lit

Comme dans le cas de la sédimentation dans une retenue, la prévision desmodifications du lit à l'aide des modèles uni-dimensionnels pour l'affouillementnécessite des suppositions supplémentaires. Certaines d'entre elles ont déjà étémentionnées dans le paragraphe 5-2 (figures 5-11a et 5-llb). Lorsque l'on a besoin derenseignements plus précis, l'utilisation de modèles réduits s'impose. Des modèlesmathématiques à deux dimensions sont également applicables, du moins dans le cas decourt? tronçons de rivière.

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 220: Sedimentation Unesco

Les influences secondaires

Dans certains cas, le processus d'affouillement peut être fortement influencé pardes facteurs en apparence secondaires. Par exemple, la construction du barrage peutentraîner une forte accumulation de sédiments à l'aval. Snishchenko (1977) décrit unbarrage en U.R.S.S. où les sédiments qui s'étaient accumulés lors de la construction dubarrage n'avaient toujours pas été emportés par l'écoulement 23 ans après.

La construction des routes, les travaux dans les affluents, etc..., peuvent parfoisfournir de grandes quantités de sédiments à la rivière et freiner considérablementl'affouillement du lit de la rivière. Par contre, l'extraction de graviers du lit de larivière pour les besoins de travaux publics peuvent entraîner un effet contraire.

209

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 221: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 222: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 223: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 224: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 225: Sedimentation Unesco

CONCLUSIONS ET RECOMMANDATIONS

Ce rapport a été destin6 à l'usage des décideurs et des ingénieurs,particulièrement dans des pays en voie de développement où les projets hydrauliquesconcernent des retenues sujettes à la sédimentation et ses inconvénients.

Cependant, ce rapport ne constitue pas un guide ou un manuel d'instructionspratiques concernant la lutte contre la sédimentation à tous les stades du projet. Lapréparation d'un tel guide devrait faire partie de la troisième phase du ProgrammeHydrologique International. Ce rapport pourra servir à établir les grandes lignes d'untel guide.

Les recommandations qui terminent ce rapport s'adressent donc à ceux qui étudientet qui travaillent sur les problèmes de la sédimentation dans des retenues. Ellesvisent l'amélioration des méthodes de planification de conception et d'exploitation deretenues.

6-l EVALUATION DES IMPACTS DE LA SEDIMENTATION DANS UNS RETENUE

Une retenue constitue toujours un élément vital de chaque projet d'aménagement desressources en eau-entrepris pour des besoins socio-économiques importants. La créationd'une retenue engendre une transformation importante de la morphologie de la rivière etde son bassin, et son impact socio-économique sera par conséquent important et trèsétendu.

6-l-l Impacts physiques et écologiques

La retenue perturbe-Te régime du transport solide de la rivière : les matériauxsolides se déposent dans la retenue à l'amont, et un affouillement du lit de la rivièrese produit à l'aval du barrage. Les effets de la sédimentation sont nombreux. Lors del'étude préliminaire, il est souhaitable d'étudier l'impact possible de lasédimentation sur le fonctionnement du projet hydrologique, y compris les effets de lasédimentation sur la vie utile de la retenue, sur l'environnement physique à l'amont età l'aval de la retenue, et sur l'équilibre écologique de la retenue et de la rivière àl'aval.

6-l-Z Impacts sur la sécurité de l'ouvrage

L'influence de la sédimentation prévue sur la sécurité du barrage et de savantellerie (évacuateurs de crues, vannes, vidanges de fond, etc...) doit être étudiéeau stade de l'avant-projet. Il faut prendre des mesures pour assurer l'évacuation desdébris immergés sans obstruer l'évacuateur de crue et les vannes. Le béton utilisé dansla construction du barrage et d'autres structures doit résister à l'usure chimiqueexercée par l'eau et par les vases. Il faut également prendre les mesures nécessairespour protéger les vidanges de fond des obstructions, de l'usure et de la corrosion,pour faciliter les réparations dans le cas des dégâts éventuels.

214

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 226: Sedimentation Unesco

6-l-3 Impacts économiques et sociaux

La perte de capacité dûe à la sédimentation touche tous les usagers de la retenue.Les conséquences économiques de cette perte doivent être évaluées et comprises dans lesétudes socio-économiques qui justifient la fiabilité du projet. Négliger le problème dela sédimentation peut entraîner l'échec du projet, soit parce que les bénéficesattendus ne sont pas réalisés, soit à la suite de mesures correctives très coûteuses.

S-2 LA COMPREHENSION DES PHENOMENES PHYSIQUES

Bien qu'a l'heure actuelle les principaux facteurs et le mécanisme de lasédimentation et des phénomènes associés soient relativement bien connus, desincertitudes demeurent quant à l'analyse quantitative du processus et à sareprésentation par des modèles mathématiques ou physiques. Ces incertitudes nuisentconsidérablement à la précision des prévisions sur lesquelles dépendent laplanification, la conception et l'exploitation des ouvrages.

S-2-l Le processus physique de la sédimentation

L'apparition des courants créés à la fois par le vent et par les variations detempérature, et leur influence sur les courants turbides dans les lacs et les retenuesdoivent être davantage étudiées. Des méthodes de calcul doivent être développées pourla prévision quantitative. Il faut également étudier plus en détail les problèmes de lafloculation des matériaux fins, la densité et la mobilité des dépôts solides non-consolidés, etc...

S-2-2 La nature des sédiments

Des renseignements concernant la nature des sédiments sont utiles lors desopérations de récupération de volume telles que la chasse ou le dragage des sédiments.L'impact écologique de ces opérations à l'aval constitue souvent une contre-indication;dans d'autres cas, l'utilisation des sédiments extraits pour l'amélioration des sols oupour les travaux publics peut diminuer le coût de ces opérations.

Ci-3NESURESETE!lUDESTOPOSRAPHIQUl3SDEFlKTSNUSS

Toute retenue est destinée à long terme au comblement, à moins que la réserveutile ne soit préservée par des mesures appropriées. Au stade de l'étude préliminaire,il est essentiel d'estimer la vie utile d'une retenue. La vie utile est la durée detemps entre son inauguration et le moment où le comblement empêche le fonctionnementprévu pour la retenue à sa conception. La vitesse de la sédimentation dans une retenuedépend des apports solides fournis par la rivière et les affluents; et du taux dedécantation de la retenue, qui est fonction de la dimension des particules. Tous cesfacteurs doivent donc être pris en compte lors de l'étude préliminaire. Il fautconsidérer chaque retenue sur le plan individuel, en même temps que l'interdépendancede toutes les retenues et structures hydrauliques dans le bassin.

215

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 227: Sedimentation Unesco

6-3-l Mesures des sédiments

Les méthodes utilisées pour mesurer les sédiments demeurent imparfaites. Il esttoujours difficile de mesurer avec précision les matériaux charriés dans les rivièresnaturelles, surtout lors de crue5 importantes où les matériaux sont mobiles. On peutmesurer les matériaux en suspension avec davantage de précision. La détermination de lagranulométrie des matériaux en suspension est indispensable dans les calculs desédimentation, mais elle est souvent négligée dans des études de routine.

La détermination de la résistance ou la rugosité du lit est égalementindispensable. Il est souhaitable de l'évaluer à l'aide de mesures in situ plutôt qued'avoir recours à des références dans les manuels techniques.

6-3-2 L'étude topographique d'une retenue

Puisqu'il est difficile de prévoir avec précision le taux de sédimentation dansune retenue, il est toujours souhaitable de mesurer le volume et le poids des sédimentsaccumulés à des intervalles spécifiques dans la vie de la retenue. Lors de l'avant-projet; il est nécessaire de prévoir l'exécution de ces études topographiques de lasédimentation.

6-3-3 Les technique5 d'études topographiques

La technique de base pour l'exécution d'une étude topographique des sédiments apeu évolué depuis des années, mais les appareils de mesure ont été considérablementaméliorés sur le plan de la précision et de l'économie du temps de travail. Il estimportant lors de chaque étude d'enregistrer avec soin tous les renseignementsconcernant les procédures et les techniques utilisées, afin que les études postérieurespuissent être effectuées de la même manière et fournir des données comparables.

6-3-4 Le datage des sédiments

Dans le cas des retenues où il n'existe aucune étude topographique antérieure dela sédimentation, il existe des techniques de datage diverses des sédiments existantsqui permettent d'estimer le taux de sédimentation.

6-3-5 Les courants dans une retenue

La contrainte tangentielle exercée par le vent et les différences de densitédominent en général les forces qui créent les courants dans une retenue ou un lac. Engénéral, la mesure de ces courants présente des problèmes complexes à moins qu'iln'existe un courant de fond fortement chargé en matériaux. La mesure des écoulementsturbides est souvent indispensable pour qu'une chasse de sédiments ait une efficacitémaximale.

6-4 METHODES DE PRESERVATION DE LA CAPACITE DE LA RETENUE

La planification, la conception et l'application de mesures pour lutter contre lasédimentation constitue un aspect important d'un projet hydraulique. Ces mesures visent

216

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 228: Sedimentation Unesco

à diminuer la quantité de matériaux solides pénétrant dans la retenue, à diminuer ladécantation des matériaux dans la retenue, et à récupérer une partie de la capacitéperdue.

64-l Techniques visant à diminuer les apports solides

A long terme,' l'aménagement du bassin versant est la meilleure méthode pourdiminuer la quantité d'apports solides pénétrant dans la retenue. Dans des grandsbassins, sujets à une érosion intensive, de telles mesures ne sont pas immédiatementefficaces, et elles sont parfois trop coûteuses pour être appliquées. La constructionde barrages de compensation pour retenir les matériaux peut avoir un effet plusimmédiat. mais de courte durée, du fait du comblement des petites retenues. Ladérivation des crues chargées en matériaux peut empêcher de façon efficace l'entréedans la retenue de la majeure partie des matériaux transportés par la rivière. Detelles techniques sont applicables lorsque la situation topographique s'y prête. Toutesces possibilités doivent être considérées et étudiées lors de l'étude préliminaire etde l'avant-projet. L'aménagement de plusieurs retenues en série sur une même rivières'avère souvent très rentable du point de vue de la vie utile des retenues sur lapartie inférieure de la rivière. Des écrans de végétation à l'entrée des retenuespeuvent retenir une partie importante des matériaux solides entrants.

6-4-2 Mesures visant à diminuer la décantation dans la retenue

Il est possible d'empêcher la décantation des matériaux grossiers dans la partieamont de la retenue. Cependant, à l'aide des techniques appropriées, une grande partiedes particules fines peut être évacuée.

La chasse par les crues et l'évacuation des courants de densité constituent deuxméthodes efficaces. Le barrage doit être équipé de' vidanges de fond suffisantes àtravers desquelles ces opérations peuvent être appliquées de façon efficace. Lesvidanges de fond doivent être rectilignes et assez larges pour éviter l'obstruction pardes débris et la corrosion. Il est indispensable de prévoir l'éventualité deréparations au cas où un écoulement à grande vitesse occasionnerait des dégâts lorsd'une opération de chasse.

L'évacuation des courants de densité peut être efficace dans certains cas, selonla topographie de la retenue et la nature des matériaux solides.

Ces deux méthodes nécessitent une certaine quantité d'eau, eau qui ne pourra plusservir pour les autres besoins du projet hydraulique.

Lors de l'avant-projet, la prévision de l'efficacité de la chasse par les crues etde l'évacuation des courants de densité doit être effectuée. Des techniquesd'exploitation qui rendent efficace la chasse et l'évacuation doivent être adoptées.Pendant l'exploitation de l'ouvrage, des mesures doivent être effectuées pour vérifierle bien-fondé du mode d'exploitation et le modèle mathématique utilisé dans lescalculs. Il faut rectifier les techniques d'exploitation, si nécessaire.

6-4-3 La récupération du volume perdu

Il est souvent possible de récupérer partiellement la capacité perdue en extrayantune partie des sédiments de la retenue, ou du moins en les déplaçant de la trancheutile à la tranche morte, en-dessous du niveau des prises d'eau.

217

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 229: Sedimentation Unesco

Les techniques appropriées varient selon la topographie locale, la disponibilitéde l'eau pour la chasse, le coût de la réserve utile, etc... Les techniques derécupération de volume doivent toujours être prévues lors de l'étude préliminaire et del'avant-projet, et il faut prévoir des structures adéquates dans la construction dubarrage et de sa vantellerie.

Deux méthodes très efficaces sont le maintien d'une cote très basse lors descrues, et l'évacuation des débits de crue à travers les vidanges de fond plutôt quepar-dessus les déversoirs. Une telle pratique est, bien entendu,. impossible si l'eau dela crue doit être stockée en vus des besoins futurs.

Une certaine quantité de sédiments peut être enlevée grâce à des opérations devidange et de chasse, pourvu qu'il y ait de l'eau disponible dans la retenue pour cesopérations. Ces méthodes sont en général employées suite à la saison d'irrigation. Laplanification de ces opérations nécessite une prise en compte approfondie des facteurstels que la vitesse de la vidange, le débit à la sortie, la concentration en sédimentstolérable pour les débits évacués, etc...

Le dragage des sédiments est une opération coûteuse, qui peut se justifier en vuede la valeur économique de l'eau et de l'impossibilité de remplacer la capacité perdue.Mise à part le coût du dragage, la décharge de la boue ainsi extraite peut souventposer un problème critique.

Souvent, les considérations écologiques peuvent restreindre, voire empêcher, lesopérations de chasse,, du fait des dégâts occasionnés pour la vie aquatique â l'aval dubarrage par les fortes concentrations en matériaux solides des lâchures. Parfois,l'opposition selon des principes écologiques peut être exagérée et non justifiéeéconomiquement. Dans certains pays, les sédiments évacués peuvent servir à améliorer leterrain agricole.

6-5 METHODES DE PREVISION

La prévision de la sédimentation et des phénomènes associés dans une retenue estindispensable aux décisions à tous les stades du projet : lors de la planification, laconception et l'exploitation de la retenue et de l'ensemble hydraulique. Le choix desméthodes de prévision dépend en grande partie des objectifs visés par les décisions.

6-5-l Les objectifs de la prévision

Il faut clairement définir les objectifs de la prévision avant de l'entreprendre.Le tableau 5.1 présente une liste des objectifs possibles de la prévision.

6-6-2 Les incertitudes et l'analyse de sensibilité

La prévision de la sédimentation d'une retenue et des phénomènes associés estbasée sur des calculs qui comportent de nombreuses incertitudes, à la fois par rapportaux données, et par rapport aux modèles de la sédimentation utilisés. Il est doncimportant de prendre en compte l'influence des erreurs possibles sur les prévisions etsur les décisions prises à partir, de ces prévisions. La prévision ainsi obtenue nedevra pas être déterministe, mais elle dépendra plutôt de la probabilité.

218

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 230: Sedimentation Unesco

Les contraintes économiques, entre autres, qui s'appliquent aux études desédimentation imposent souvent une prévision quasi-déterministe, basée sur des moyenneset des suppositions. Nous recommandons que cette pratique soit modifiée et qu'uneanalyse de sensibilité soit appliquée à tout calcul utilisé pour la prévision.

6-5-3 Méthodes de prévision empiriques

Les méthodes empiriques qui se basent sur le concept du taux de décantationpeuvent être suffisantes lors de l'étude préliminaire. Elles se bornent à estimer levolume global de sédiments retenus par un réservoir pendant une longue période, et àformuler une hypothèse préliminaire concernant la situation possible des dépôts dans laretenue.

Les méthodes employées encore aujourd'hui datent de plusieurs années, et devraientêtre vérifiées par une comparaison d'observations à l'échelle mondiale afin de pouvoirs'appliquer à de diverses conditions climatiques, topographiques et hydrauliques.

6-5-4 Les modèles mathématiques de la sédimentation dans une retenue

La plupart des modèles sont basés sur des calculs uni-dimensionnels de la cote etde la quantité nette de sédiments déposés, en supposant que l'écoulement soit stable etnon-uniforme. Nous recommandons fortement que ces modèles soient employés uniquement encombinaison avec des mesures in situ.

La rugosité du lit doit être étalonnée à partir de mesures in situ. La quantité dematériaux en suspension entrants doit être simulée à partir de concentrations réellesrelevées. La granulométrie des particules en suspension doit être déterminée par desmesures in situ. Puisque la quantité de matériaux charriés par une rivière n'est pasfacilement mesurée avec précision, il faut employer des formules empiriques, le choixdesquelles dépendra de l'expérience et de la tradition. Des formules empiriquespourront être employées pour le transport solide en suspension, après un étalonnage àpartir de mesures in situ.

Puisque les sédiments déposés sont calculés en termes de leur masse et lesmodifications du lit sont exprimées en unités de volume, la densité des sédimentsconstitue donc un paramètre très important dans les calculs. Cette densité doitcependant être calculée, chaque fois que cela est possible, à partir de mesures insitu, dans la même retenue ou dans des conditions analogues. Puisque le modèle n'aqu'une dimension, il faut introduire dés hypothèses supplémentaires afin de pouvoircalculer les modifications des profils en travers. Ces hypothèses doivent prendre encompte les conditions locales.

On peut étalonner le modèle seulement en comparant les modifications du 'litprévues avec celles réellement observées. Cela est possible seulement après quelquesannées d'exploitation de la retenue. Les prévisions faites lors de l'avant-projetdoivent donc comporter une analyse de sensibilité des variations des paramètresconcernés à l'intérieur de certaines limites. Les prévisions ainsi obtenues dépendentde la probabilité, surtout puisque les apports solides et liquides futurs sontégalement fonction de la probabilité. Les prévisions devront être améliorées après lamise en oeuvre du réservoir à l'aide de calculs et de mesures in situ fréquents.

6-5-5 L'évaluation de l'efficacité des mesures de récupération de volume

Alors que la sédimentation dans une retenue peut être représentée par des modèlesuni-dimensionnels et à l'écoulement stable, les techniques de récupération de capacité

219

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 231: Sedimentation Unesco

telles que la vidange et la chasse, l'érosion régressive, et l'évacuation des courantsde densité impliquent des calculs plus complexes.

La chasse des sédiments au moyen d'une lâchure abrupte de l'eau stockée dans laretenue constitue un phénomène très instable, avec des variations rapides de la cote del'eau, des vitesses d'écoulement, du transport solide et de la topographie. du lit. Bienque certains modèles aient été test& avec succès, il est encore trop tôt pour formulerdes recommandations générales, si ce n'est que tout modèle doit se baser sur desmesures effectuées in situ, et qu'aucun modèle ne doit être utilisé sans étalonnagepréalable. La prévision en temps réel en vue de la véritable exploitation exige unepréparation minutieuse et une adaptation rapide du modèle sur le champ aux observationsfaites pendant l'exploitation.

L'érosion régressive des sédiments causée par de 'gros débits lâchés à travers uneretenue vide exige des modèles complexes d'un écoulement instable' à deux ou troisdimensions, avec des limites mobiles.

Cependant, des méthodes de calcul approximatives ont été développées, basées surdes formules semi-empiriques, qui exigent une vérification et une adaptation auxconditions locales.

La prévision des effets de l'évacuation des courants de densité est basée enpartie sur la théorie de l'écoulement stratifié et en partie sur des rapportsempiriques spécifiques aux courants de turbidité.

La définition du point de submersion peut être effectuée â partir de critères simples. On peut faire une approximation de la progression du courant avec deséquations à une dimension, sauf au droit du barrage, où une approximation à deux outrois dimensions est nécessaire, selon l'écoulement sortant. Grâce à des recherchesintensives sur l'écoulement stratifié, on peut s'attendre à une amélioration desméthodes de calcul. Certaines questions importantes, qui sont spécifiques au transportsolide en suspension par les courants de densité, nécessitent des recherchessupplémentaires : la décantation des particules pendant la progression du courant, lamodification de la concentration en matériaux. et l'évolution de la partie avant ducourant de turbidité constituent quelques unes de ces questions. En plus des recherchesthéoriques et en laboratoire, les mesures effectuées in situ dans des retenues sontd'une haute importance, du fait de la rareté des données disponibles.

6-5-6 La prévision de l'érosion à l'aval des barrages

Les modèles faits pour l'érosion à l'aval ressemblent à ceux de la sédimentationdans la retenue : on peut employer des équations d'écoulement stable à une dimensionpour calculer la cote' de l'eau. et on peut calculer la quantité nette de sédimentsdéposés à l'aide de formules empiriques du transport solide. Un des principauxproblèmes à résoudre est celui de la prévision du pavage du lit. Certaines méthodessemi-empiriques et approximatives ont été proposées qui prennent en compte lagranulométrie des matériaux charriés et la contrainte tangentielle exercée parl'écoulement. Il serait très utile de collectionner et d'analyser la grande quantité dedonnées existantes sur la déformation du lit à l'aval de barrages et de vérifier lesméthodes utilisées.

220

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 232: Sedimentation Unesco

6-6 RECOMMANDATIONS POUR DES ACTIVITES COMPLEMENTAIRES

A partir des conclusions précédentes et en réponse à la discussion et auxsuggestions survenues lors du Colloque de Nanjing, nous proposons les activitéssuivantes dans le cadre de la 3e Phase du Programme Hydrologique International :

1 - D'organiser un colloque dans le cadre de l'IHP-III et en accord avec les NGOsintéressés ayant pour titre :

"Les Progrès dans l'Exploitation de Retenues"

dans le but de traiter les sujets suivants :

a) Les impacts techniques et socio-économiques de la sédimentation d'uneretenue et de la détérioration de la qualité de l'eau.

b) Les techniques des mesures in situ.

c) Les méthodes de préservation de la capacité d'une retenue et de la qualitéde l'eau.

d) Les méthodes de prévision appropriées aux problèmes d'exploitation d'uneretenue.

e) L'aspect gestionnaire de la préservation de la capacité et de la qualité del'eau.

2 - La préparation d'un rapport sur les lacs de faible profondeur et lesaménagements d'eaux de surface, qui comprendrait les points suivants :l'érosion des berges par le vent et les vagues, la migration des sédimentscréée par le vent (le remuement et la décantation à nouveau, la migrationlente des matériaux mous au fond) ; l'influence sur la qualité de l'eau desmouvements intermittents de particules ; le développement excessif de lavégétation aquatique ; les problèmes spécifiques aux cours d'une rivière àl'aval d'un barrage ; l'érosion supplémentaire du lit et des berges entraînéepar la production d'énergie en pointe par des usines hydro-électriques àfaible chute ; l'érosion créée par la modification des hydrogrammes des cruesnaturelles ("la coupe des queues") etc...

3 - L'élaboration de recommandations adressées aux décideurs et aux ingénieursd'études concernant l'importance des aspects de la sédimentation dans laplanification, la conception et l'exploitation d'un barrage, avec uneattention spéciale à l'égard des éléments de sa structure (par exemple, lesvidanges de fond) qui sont essentiels à la préservation de la capacité.

4 - Un appel aux organisations non-gouvernementales, et en particulier à l'ICOLD,à l'IAHR et à l'IASH, pour qu'elles prennent en compte le sujet de lasédimentation des retenues lors de leurs colloques à venir. Une étude àl'échelle mondiale de l'incapacité des retenues à remplir leur mission du faitde la sédimentation serait d'une aide précieuse pour les décideurs et lesingénieurs.

221

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 233: Sedimentation Unesco

A N N E X E A

LA MESURE DU TAUX D'ACCUMULATION DES SEDIMENTS A PARTIR DE

DONNEES D'ISOTOPES RADIOACTIFS

de Bryon R. Payne

Qn effectue la datation des matériaux organiques à l'aide du Carbone-14 lorsqu'il

s'agit de taux d'envasement à l'échelle de millénaires, mais cette méthode s'avère

inadaptée pour mesurer des taux d'envasement dans les réservoirs sur une période

récente. Lorsqu'il s'agit d'estimer des taux d'envasement sur une période de 150 ans, la

présence de ‘j7 Cs et de 210 Pb dans les sédiments peut fournir de précieux

renseignements. Le Césium - 137 (T 12 = 30 y) n'existe pas naturellement dans

l'environnement, mais a été produit lors d'essais d'armes atomiques effectués au début

des années 50. Donc, la méthode à base de 137 Cs s'applique aux estimations de taux

d'envasement entre 1954 et le présent. Le plomb 210 est un radio-isotope naturel

provenant de la désintégration radioactive de l'uranium dans la croûte terrestre. La

demi-vie du 2'oPb (22,35 ans) et la précision des mesures permettent d'estimer des taux

d'envasement depuis 150 ans environ. Les deux méthodes exigent que les mesures

radiométriques soient effectuées dans un laboratoire spécialisé en ces mesures.

La méthode du Césium 137

Le Césium - 137 a été déposé sur la terre lors de retombées radioactives. Son dépôt

a été mesuré à plusieurs points à travers le monde. Le dépôt maximal se trouve dans les

deux hémisphères dans les bandes de Latitude comprises entre 30° et 60°. Le dépôt a

atteint son maximum entre 1963-1964, Le dépôt accumulé du 137 Cs peut être calculé à

partir de mesures du 137 Cs ou à partir de données concernant le 90 Sr. En eau douce,

le '37 Cs est absorbé par la partie micacée des particules. Pendant l'accumulation des

sédiments, chaque couche contient une quantité de 137 Cs qui est fonction du dépôt de

'j7 Cs au moment de la formation de cette couche. Puisque les retombées de r37 Cs ont

varié dans le temps (figure A.l), une variation analogue du contenu en 137 Cs se

manifestera dans un profil de sédiments (figure A.2). Le contenu en 137 Cs des sédiments

se calcule à l'aide d'échantillons carottés. Ces échantillons doivent être pris afin de

minimiser les pertes dûes aux mélanges. Les échantillons sont découpés en sections

mesurant 0.5 , 1,0 ou 2,0 cm. Les échantillons (environ 25 à 30 g de sédiments secs)

sont mesurés-à l'aide d'un système de détection étalonné avec un mouvement propre très

faible à base de Ge (Li).

222

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 234: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 235: Sedimentation Unesco

Un profil de la concentration en lyCs par rapport à la profondeur (figure A.2)

montre une activité maximale à la profondeur correspondant à l'année 1963 ainsi qu'à la

profondeur où se trouve les premières traces de 'j7 cs, profondeur qui correspond à

l'année 1954. Ainsi, il est possible d'estimer le taux d'envasement pour la période

comprise entre 1963 et. le présent (RI), ainsi que pour celle comprise entre 1954 et le

présent (R2).

La méthode à base du Plomb - 210

La désintégration radioactive de l'uranium de la croûte terrestre amène à

l'apparition d'une série de produits secondaires. Le radon - 222 (T % = 3.8 d) en est un

exemple. Le 222 Rn, sous forme de gaz, se dégage de la croûte terrestre et des eaux de

surface pour se trouver dans l'atmosphère. Le 222 Rn se désintègre en passant par un

certain nombre de radio-isotopes à courte vie jusqu'à devenir du 2'o Pb. Le 210 Pb

s'accroche rapidement à des particules d'aérosol qui résident dans l'atmosphère pendant

un maximum de quelques semaines, selon la latitude, la saison, la fréquence des

précipitations, la dimension, et l'altitude des particules. Ainsi, il existe un flux

continu de 210 Pb vers la surface de la terre. On appelle ce flux du 21? Pb "non-

soutenu" puisqu'il n'est pas en équilibre séculaire avec son parent, le 222Rn comme il

est le cas pour le 210 Pb ordinaire. L'absorption de ce 210 Pb "non-soutenu" entraîne un

excès d'activité qui est mesurable dans des. échantillons de sédiments.

Comme pour la méthode à base de '37 cs, on découpe les échantillons en sections,

mais le traitement des échantillons qui précède la mesure du 210 Pb est plus laborieux.

Une façon typique de procéder est d'ajouter une quantité précise de 208Po à une partie

aliquote de 3 & 5 g d'une section d'échantillon afin de déterminer le rendement de la

séparation radiochimique qui amène à la préparation d'une source de 210 Pb afin de

compter les particules alpha à l'aide d'un système de détection muni d'une barrière de

silicone avec un mouvement propre très faible et un haut pouvoir de résolution.

224

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 236: Sedimentation Unesco

La concentration en 210 Pb "non-soutenu" diminuera en fonction de la profondeur de

sa désintégration radio-active. Pourvu qu'une migration significative ne se produise pas

à l'intérieur des sédiments, l'activité du 210Pb diminuera de façon exponentielle avec

la profondeur (figure A.3). Il est ensuite possible d'estimer l'âge des sédiments à une

profondeur donnée à partir de l'activité du 210 Pb "non-soutenu" à la profondeur qui

correspond à l'interface entre l'eau et les sédiments.

Il est possible que l'activité du 210 Pb ne manifeste pas toujours une diminution

exponentielle en fonction de la profondeur, et ceci pour plusieurs raisons. Par exemple,

l'appareil de prélèvement peut perturber ou récupérer de façon incomplète les couches

supérieures de sédiments. Parfois, il se produit même des réelles modifications du taux

d'envasement. Bornes et alia (1979) ont rapporté les résultats de la datation des

sédiments du lac Washington. Trois taux d'envasement différents ont été estimés. Les

données fournies par le profil des sédiments les plus profonds ont indiqué un taux de

0,063 cm/an avant 1889. Après environ une décennie, le taux estimé était de O,83 cm/an.

Et les sédiments plus récents sembleraient avoir été déposés plus de quatre fois plus

vite que les sédiments précédents. Les auteurs attribuent ces différences aux

modifications de l'exploitation agricole et à d'autres facteurs naturels.

Robbins et Edgington (1975) ont estimé les taux d'envasement dans le lac Michigan à

partir d'échantillons prélevés à huit endroits indiquant que les taux d'envasement

depuis environ cent ans ont demeuré stables. Cette étude s'est avérée en accord avec

d'autres estimations basées sur la distribution du pollen. Ces auteurs ont également

étudié la distribution de '37~s dans les échantillons, et ils suggèrent l'utilisation

simultanée des deux méthodes, puisque cette double approche peut aider à mieux cerner la

nature physique et chimique du phénomène de la sédimentation.

225

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 237: Sedimentation Unesco

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.

Page 238: Sedimentation Unesco

227

Document produit par reconnaissance optique de caractères (OCR). Des erreurs orthographiques peuvent subsister.Pour accéder au document d'origine sous forme image, cliquez sur le bouton "Original" situé sur la 1ère page.