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La continuité écologique des cours d’eau : Vers une nouvelle génération de passes à poissons ‘naturelles’ à enrochements

Les solutions technologiques actuelles pour la restauration de la libre circulation des poissons, notamment au droit des barrages, ne sont pas toujours idéales. Pour pallier à cela, une équipe de l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse s’est penchée sur l’étude d’une nouvelle génération de passes à poissons : il s’agit d’installations plus proches de la nature, constituées de simples constructions en pentes, au fond desquelles des obstacles plus ou moins gros sont installés. Ces gros et petits cailloux, sont positionnés de manière à assurer des vitesses de l’eau suffisamment faibles pour être franchies par les poissons. On peut alors rétablir la continuité écologique des cours d’eau. 

Si ces passes naturelles commencent à être très répandues à travers le monde, en particulier en Allemagne, en Autriche et en Suisse, il n’existe pas de critères de dimensionnement très formalisés : La conception de tels ouvrages demeure encore très empirique et subjective. Les travaux menés à l’IMFT portent donc sur les caractéristiques hydrauliques des écoulements dans ces passes naturelles, de manière à améliorer leur dimensionnement et ainsi mieux contrôler leur efficacité.                                       

Pourquoi la continuité écologique des cours d’eau ?

La migration des espèces piscicoles est un problème complexe, dans la mesure où la diversité de celles-ci demande la conception d’installations adaptées à chacune d’elles, notamment au droit des barrages. En effet, les conditions hydrauliques nécessaires à la remontée des poissons, ne sont pas les mêmes pour les gros et les petits poissons, dont les capacités de nage sont différentes. Par ailleurs, dans les rivières, des espèces non migratrices peuvent également avoir besoin de se déplacer, pour chercher de la nourriture, ou fuir une zone polluée. Les installations classiques telles que les passes à bassins successifs ou les passes à ralentisseurs ne permettent pas d’offrir à ces différentes espèces les conditions différentes de débit, de vitesse et de hauteur d’eau : elles induisent un cloisonnement des espèces qui impacte notablement le brassage génétique et donc la biodiversité des rivières.  

Le défi technologique 

Concevoir et dimensionner des passes à poissons compatibles avec le déplacement de toutes les espèces de poissons.

 La solution 

Construire des installations ‘naturelles’ en enrochement, présentant une pente et des obstacles plus ou moins gros, répartis de manière à offrir des zones différenciées pour le déplacement des diverses espèces de poissons. Ces zones correspondent à des caractéristiques d’écoulements adaptées, en termes de hauteurs d’eau, de vitesses d’écoulements, et d’espaces de repos, compatibles avec  les diverses capacités de nages des poissons.   

  •  Les avantages : ces solutions offrent un meilleur débit d’attrait que les installations traditionnelles telles que les passes à bassins successifs ou les passes à ralentisseurs, donc une facilité pour les poissons à trouver l’entrée de la passe. Elles sont moins chères, et moins soumises aux embâcles, c’est-à-dire aux débris qui risquent de les boucher.
  •  L’inconvénient : la pente doit rester douce, c’est-à-dire ne pas excéder les 7% au-delà desquels les vitesses d’écoulement seraient trop fortes. Ces nouvelles passes à poissons ne sont donc réalisables que dans des cas de hauteur de chute limitée : en effet, une hauteur de 10 mètres demanderait la construction d’une passe d’environ 150 mètres de long !

Ces passes de nouvelle génération s’avèrent donc prometteuses, efficaces pour assurer la continuité écologique, sans toutefois pouvoir être adoptées partout.

La problématique scientifique 

L’étude des caractéristiques hydrauliques, pour des écoulements en pente, et à hauteur d’eau limitée, à proximité de grands obstacles (ou gros cailloux), avec ou sans fond rugueux (de petits cailloux) restait à faire.

  • Des études préliminaires expérimentales, dans des configurations simples, avaient été réalisées dans les années 2000 sur les relations et le dimensionnement entre le débit et la vitesse d’eau compatibles avec les capacités de nage des poissons.
  • En 2011, ont démarré des études expérimentales plus centrées sur les structures de l’écoulement, les vitesses maximales, les zones de repos, en fonction d’une large gamme de concentrations de cailloux, de l’influence des rugosités de fond.

Deux types de concentrations d’obstacles ont été étudiés en canaux de laboratoire : plots cylindriques (gros cailloux) ou carrés répartis régulièrement dans les canaux,  avec et sans fond rugueux, et pour différentes pentes de 0 à 10%. Les relations entre le débit et la hauteur d’eau et les mesures de champs de vitesses ont été établies. 

Les techniques de mesure 

  • Les hauteurs d’eau sont mesurées par ombroscopie. On filme de côté l’écoulement éclairé par le côté opposé (fond lumineux). L’ombre de la surface libre apparaît clairement sur les photos et permet de distinguer la séparation entre air et eau
     
  • Les mesures de vitesses sont obtenues à l’aide de sonde doppler ultrasonore (Acoustic Doppler Velocimeter). Le principe est de mesurer l’écho d’ultrasons envoyés sur des particules essaimées dans l’écoulement. En comparant le son émis et celui reçu, on détermine la vitesse des particules à partir du déphasage des 2 ondes acoustiques (effet doppler).

    Le résultat de ces études a permis de proposer un modèle analytique unique et simple, directement exploitable par les Bureaux d’Etudes.

Des études plus fondamentales sont en cours et portent sur l’étude d’un écoulement autour d’un obstacle (un plot cylindrique), dans le cas où la hauteur d’eau est relativement faible par rapport à l’obstacle, et où la pente est suffisante pour créer de fortes déformations de la surface au voisinage de l’obstacle. Ces nouvelles études se font dans le cadre d’une approche numérique.

Les partenaires de cette étude 

Le groupe HYDROECO de l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse

L’Institut Pprime de Poitiers

L’ONEMA, Office National de l’Eau et des Milieux Aquatiques, dont l’une des équipes est intégrée au groupe HYDROECO de l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse

Le LMFA, Laboratoire de Mécanique et d’Acoustique de Lyon (collaboration relativement informelle pour le moment) 

Les perspectives

Une fois les études précédentes réalisées, il s’agira alors de tester la compatibilité des résultats obtenus sur les écoulements avec les capacités de nage des poissons, en situations réelles et en situations de laboratoire. A partir de l’année prochaine, les passages des poissons seront détectés dans les quelques passes à poissons ‘naturelles’ déjà existantes. Des poissons seront également introduits dans les canaux de laboratoire, pour observer leurs comportements. C’est la validation de cette nouvelle génération de passes qui sera alors en jeu : la turbulence autour des gros cailloux (ou des plots) sera-t-elle gênante ou non pour les poissons ? Leur laissera-t-elle la possibilité de trouver des zones de repos ? Aura-t-elle un impact sur leur comportement, et en particulier leur capacité à trouver leur chemin ? Autant de questions qui devraient aboutir à des spécifications plus précises et adaptées aux besoins naturels, et donc à des installations plus favorables à la continuité écologique des cours d’eau. 

Contact : Ludovic.Cassan @ imft.fr

Publication 

Cassan, L., Tien, T., Courret, D., Laurens, P., and Dartus, D. (2014). ”Hydraulic Resistance of Emergent Macroroughness at Large Froude Numbers: Design of Nature-Like Fishpasses.” J. Hydraul. Eng., 140(9), 04014043


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