ÉTUDE HYDRAULIQUE

Conception d’une passe à poissons

Conception d'une Passe à Poissons à Bassins Successifs

Conception d'une passe à poissons à bassins successifs

Comprendre la Conception d'une Passe à Poissons

Une passe à poissons est un ouvrage hydraulique qui permet aux poissons de franchir des obstacles artificiels sur un cours d'eau, tels que des barrages ou des seuils. Le modèle à bassins successifs est l'un des plus courants. Il consiste en une série de petits bassins séparés par des cloisons (ou seuils) munies d'ouvertures (fentes ou encoches). Chaque bassin permet de franchir une petite dénivellation. La conception doit garantir deux choses essentielles : une vitesse d'eau dans les passages que les poissons cibles peuvent surmonter, et des zones de repos dans les bassins où la turbulence est suffisamment faible pour que les poissons puissent récupérer avant de franchir le seuil suivant.

Données de l'étude

On souhaite concevoir une passe à poissons à bassins successifs pour permettre à des truites de franchir un petit barrage.

Données générales et contraintes :

  • Hauteur totale à franchir (\(H\)) : \(2.1 \, \text{m}\)
  • Espèce cible : Truite commune (Salmo trutta)
  • Débit d'attrait dans la passe (\(Q\)) : \(0.4 \, \text{m}^3/\text{s}\)
  • Masse volumique de l'eau (\(\rho\)) : \(1000 \, \text{kg/m}^3\)
  • Accélération de la pesanteur (\(g\)) : \(9.81 \, \text{m/s}^2\)

Critères de conception pour la truite :

  • Chute maximale entre deux bassins (\(\Delta h_{\text{max}}\)) : \(0.30 \, \text{m}\)
  • Dimensions minimales des bassins : Longueur \(L_b = 2.5 \, \text{m}\), Largeur \(B_b = 2.0 \, \text{m}\)
  • Dissipation d'énergie volumique maximale dans les bassins : \(\mathcal{P}_{\text{vol}} < 200 \, \text{W/m}^3\)
  • Vitesse maximale dans l'échancrure/fente : \(V_{\text{max}} < 2.0 \, \text{m/s}\)
Schéma de la passe à poissons
Vue en Élévation Bassin 1 Bassin 2 Δh Δh Lb

Principe des bassins successifs pour fractionner la chute totale.

Questions à traiter

  1. Déterminer le nombre minimal de bassins (\(N\)) nécessaires.
  2. Calculer la longueur totale (\(L_{\text{passe}}\)) de l'ouvrage.
  3. Dimensionner la largeur (\(L_n\)) de l'échancrure (fente rectangulaire) pour une hauteur d'eau de \(h=0.5\) m au-dessus du seuil. On prendra un coefficient de débit \(C_d = 0.62\).
  4. Vérifier la vitesse (\(V_n\)) dans l'échancrure. Est-elle acceptable pour les truites ?
  5. Calculer la dissipation d'énergie volumique (\(\mathcal{P}_{\text{vol}}\)) dans un bassin et vérifier si le critère de conception est respecté.

Correction : Conception d'une Passe à Poissons

Question 1 : Nombre de Bassins (\(N\))

Principe :

Le nombre de bassins est déterminé en divisant la hauteur totale à franchir par la chute maximale admissible pour l'espèce cible. On arrondit toujours au nombre entier supérieur pour garantir que la chute réelle par bassin sera inférieure ou égale à la limite.

Formule(s) utilisée(s) :
\[N = \lceil \frac{H}{\Delta h_{\text{max}}} \rceil\]
Calcul :
\[ \begin{aligned} N &= \lceil \frac{2.1 \, \text{m}}{0.30 \, \text{m}} \rceil \\ &= \lceil 7.0 \rceil \\ &= 7 \, \text{bassins} \end{aligned} \]

Puisque le résultat est un nombre entier, la chute réelle par bassin sera exactement de 0.30 m. S'il avait été de 7.1, il aurait fallu prendre 8 bassins.

Résultat Question 1 : Il faut un minimum de 7 bassins.

Question 2 : Longueur Totale de la Passe (\(L_{\text{passe}}\))

Principe :

La longueur totale de la structure est simplement le nombre de bassins multiplié par la longueur de chaque bassin.

Formule(s) utilisée(s) :
\[L_{\text{passe}} = N \times L_b\]
Calcul :
\[ \begin{aligned} L_{\text{passe}} &= 7 \times 2.5 \, \text{m} \\ &= 17.5 \, \text{m} \end{aligned} \]
Résultat Question 2 : La longueur totale de la passe à poissons sera de 17.5 m.

Question 3 : Dimensionnement de l'Échancrure (\(L_n\))

Principe :

L'échancrure ou fente entre les bassins se comporte comme un déversoir rectangulaire. On utilise la formule du déversoir pour calculer la largeur \(L_n\) nécessaire pour faire passer le débit de projet \(Q\) sous une hauteur d'eau \(h\) donnée sur le seuil.

Formule(s) utilisée(s) :
\[Q = \frac{2}{3} C_d L_n \sqrt{2g} h^{3/2}\]

On réarrange la formule pour isoler \(L_n\) :

\[L_n = \frac{Q}{\frac{2}{3} C_d \sqrt{2g} h^{3/2}}\]
Calcul :
\[ \begin{aligned} L_n &= \frac{0.4}{\frac{2}{3} \times 0.62 \times \sqrt{2 \times 9.81} \times (0.5)^{3/2}} \\ &= \frac{0.4}{0.413 \times \sqrt{19.62} \times 0.3536} \\ &= \frac{0.4}{0.413 \times 4.429 \times 0.3536} \\ &= \frac{0.4}{0.646} \\ &\approx 0.619 \, \text{m} \end{aligned} \]

On choisit une largeur de construction pratique, par exemple 60 cm ou 65 cm.

Résultat Question 3 : La largeur de l'échancrure doit être d'environ \(0.62 \, \text{m}\).

Question 4 : Vérification de la Vitesse (\(V_n\))

Principe :

Il est impératif de vérifier que la vitesse de l'eau dans le passage entre les bassins ne dépasse pas la capacité de nage de l'espèce cible. On calcule cette vitesse en divisant le débit par la section d'écoulement dans l'échancrure.

Formule(s) utilisée(s) :
\[V_n = \frac{Q}{A_n} = \frac{Q}{L_n \times h}\]
Calcul :
\[ \begin{aligned} V_n &= \frac{0.4 \, \text{m}^3/\text{s}}{0.62 \, \text{m} \times 0.5 \, \text{m}} \\ &= \frac{0.4}{0.31} \\ &\approx 1.29 \, \text{m/s} \end{aligned} \]

On compare à la vitesse maximale admissible pour la truite :

\[V_n \approx 1.29 \, \text{m/s} < V_{\text{max}} = 2.0 \, \text{m/s} \quad (\text{Critère respecté})\]
Résultat Question 4 : La vitesse dans l'échancrure est acceptable pour la truite.

Question 5 : Vérification de la Dissipation d'Énergie (\(\mathcal{P}_{\text{vol}}\))

Principe :

L'énergie de la chute \(\Delta h\) est dissipée par la turbulence dans le bassin aval. Une dissipation trop concentrée (valeur de \(\mathcal{P}_{\text{vol}}\) trop élevée) crée des zones de turbulence intense qui peuvent désorienter ou blesser les poissons. Il faut donc s'assurer que le volume du bassin est suffisant pour "diluer" cette énergie.

Formule(s) utilisée(s) :
\[\mathcal{P}_{\text{vol}} = \frac{\rho g Q \Delta h}{L_b B_b y_b}\]

Où \(y_b\) est la hauteur d'eau moyenne dans le bassin. On peut l'estimer comme la hauteur d'eau sur le seuil aval plus la moitié de la chute : \(y_b \approx h + \Delta h/2\).

Calcul :

Calcul de la hauteur d'eau dans le bassin :

\[ y_b \approx 0.5 \, \text{m} + \frac{0.30 \, \text{m}}{2} = 0.65 \, \text{m} \]

Calcul de la dissipation volumique :

\[ \begin{aligned} \mathcal{P}_{\text{vol}} &= \frac{1000 \times 9.81 \times 0.4 \times 0.30}{2.5 \times 2.0 \times 0.65} \\ &= \frac{1177.2}{3.25} \\ &\approx 362 \, \text{W/m}^3 \end{aligned} \]

On compare au critère de conception :

\[\mathcal{P}_{\text{vol}} \approx 362 \, \text{W/m}^3 > 200 \, \text{W/m}^3 \quad (\textbf{Critère non respecté})\]
Résultat Question 5 : La dissipation d'énergie est trop élevée. Le dimensionnement n'est pas acceptable. Pour corriger cela, il faudrait augmenter le volume des bassins (augmenter \(L_b\) ou \(B_b\)).

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

1. Le principal objectif de la conception d'une passe à poissons est de :

2. Si la chute \(\Delta h\) entre deux bassins augmente, la dissipation d'énergie volumique :

3. Dans cet exercice, le critère de dissipation d'énergie n'est pas respecté. Quelle serait la solution la plus simple à mettre en oeuvre ?

Glossaire

Passe à Poissons
Dispositif de franchissement piscicole conçu pour permettre aux poissons migrateurs de surmonter des obstacles anthropiques (barrages, seuils) sur les cours d'eau.
Bassin successif
Type de passe à poissons composée d'une série de compartiments (bassins) qui divisent la hauteur totale de l'obstacle en une succession de petites chutes plus faciles à franchir.
Débit d'Attrait
Débit d'eau circulant dans la passe, qui doit être suffisamment attractif pour que les poissons trouvent l'entrée de l'ouvrage et s'y engagent.
Dissipation d'Énergie Volumique
Quantité de puissance (énergie par unité de temps) dissipée par la turbulence de la chute, rapportée au volume d'eau du bassin de réception. C'est un indicateur de la qualité de la zone de repos.
Échancrure / Fente
Ouverture dans la cloison entre deux bassins, par laquelle l'eau et les poissons transitent. Son dimensionnement contrôle le débit et la vitesse de passage.
Génie Écologique & Hydraulique - Exercice d'Application

D’autres exercices d’hydraulique à surface libre:

Analyse d’un Seuil de Mesure Noyé
Analyse d’un Seuil de Mesure Noyé

Analyse d'un Seuil de Mesure Noyé Analyse d'un Seuil de Mesure Noyé Comprendre les Seuils Noyés Un seuil est un ouvrage construit en travers d'un canal ou d'une rivière pour mesurer le débit ou contrôler le niveau d'eau. On parle d'écoulement dénoyé (ou libre) lorsque...

Dimensionnement d’un Ponceau (Culvert)
Dimensionnement d’un Ponceau (Culvert)

Dimensionnement d'un Ponceau (Culvert) pour un Débit de Projet Dimensionnement d'un Ponceau (Culvert) Comprendre le Fonctionnement d'un Ponceau Un ponceau (ou dalot) est un ouvrage hydraulique qui permet à un cours d'eau de passer sous un obstacle, comme une route ou...

Comparaison des débits pour un canal
Comparaison des débits pour un canal

Comparaison des débits pour un canal rectangulaire et un canal semi-circulaire Comparaison des débits pour un canal rectangulaire et un canal semi-circulaire Comprendre l'Efficacité Hydraulique En hydraulique, l'efficacité d'une section de canal est sa capacité à...

0 commentaires
Soumettre un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *