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Petite centrale hydroélectrique de Rochemaure : valorisation du débit réservé et franchissement piscicole

De Wikhydro
Version du 4 février 2013 à 17:41 par Jean-Michel Tanguy (discuter | contributions)

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Afin de mettre en œuvre une gestion équilibrée de la ressource en eau sur le Rhône, la CNR mène en partenariat des projets environnementaux globaux. Ces projets comprennent un volet énergie renouvelable avec la réalisation de petites centrales hydroélectriques associé à un volet restauration écologique. Ce dernier comprend des opérations environnementales telles que des actions de réhabilitation de lônes et des actions en matière de continuité piscicole. La CNR a pris en compte l’aspect franchissement piscicole dans le projet de construction d’une petite centrale hydroélectrique au barrage de Rochemaure (aménagement hydroélectrique de Montélimar). Les dispositifs innovants mis en œuvre pour le franchissement des poissons sont décrits ainsi que les solutions développées dans la conception.

Sommaire

Introduction

La Compagnie Nationale du Rhône a été créée le 27 mai 1933 suite à la prise de décision d'aménager le Rhône par la loi du 27 mai 1921. En 1934, la Compagnie Nationale du Rhône reçoit la concession unique du Rhône pour une durée de 99 ans avec 3 missions essentielles : la production hydroélectrique, la navigation et l'irrigation.
Pour répondre aux directives européennes de mettre fin au monopole de gestion de l'électricité par EDF, CNR est déclaré producteur autonome d'électricité en 2001. Cette mutation profonde de la CNR est initiée et réalisée avec succès entre 2002 et 2004 pour conduire à l'organisation actuelle.
En 2003, le cahier des charges général de concession a été modifié afin de prévoir notamment l’équipement de la restitution des débits réservés par des petites centrales hydroélectriques lorsque c’est économiquement réalisable.

Débits réservés

La politique environnementale menée sur le Rhône au travers du Plan Rhône [1] et de l’application de la Loi sur l’Eau et des Milieux Aquatiques (LEMA) au plus tard en 2014, sur l’ensemble des aménagements du Rhône, entrainera une perte de productible pour la CNR de l’ordre de 2,5 % par rapport à son productible initial. Pour limiter la perte de son productible et dans le cadre de son cahier des charges, la CNR agit concrètement en faveur du développement des énergies renouvelables en programmant la création de petites centrales hydroélectriques (PCH) afin de valoriser les augmentations des débits réservés.

Des études menées dans le contexte de la restauration hydraulique et écologique du vieux Rhône de Montélimar et une démarche globale de concertation de 2003 à 2005 ont permis de fixer à 75 m3/s tout au long de l’année le débit réservé souhaitable (égal au 1/20ème du module du Rhône).
Le débit réservé sera valorisé par la petite centrale de Rochemaure comprenant un groupe de 6.5 MW. La production de 53 GWh compensera les 42.5 GWh de pertes à l’usine principale de Châteauneuf du Rhône liées à l’augmentation du débit réservé.
La Compagnie a également signé un accord en 2009 avec l’Agence de l’Eau Rhône-Méditerranée-Corse dans lequel sont définies les orientations fondamentales d’une gestion équilibrée de la ressource en eau à l’échelle du bassin. Cet accord intègre les objectifs du SDAGE RMC ainsi que ceux de la Directive Cadre Européenne sur l’Eau. Il prévoit en concertation et en partenariat avec les acteurs locaux, la réalisation d’opérations de restauration hydraulique et écologique des milieux sur des secteurs prioritaires du schéma directeur de la concession et du SDAGE, au titre du volet « qualité, ressource et biodiversité » du Plan Rhône. Inscrit dans une logique d’équilibre entre les différents usages de l’eau dont la conservation des capacités de production électrique d’origine renouvelable, cet accord se décline en 4 axes d’intervention :

  • la restauration hydraulique du Rhône ;
  • la préservation de la biodiversité des milieux ;
  • la continuité piscicole ;
  • l’acquisition de connaissances.

La construction de la PCH de Rochemaure et des dispositifs de franchissement piscicole associés représentent des actions phares de l’accord. Dans ce contexte énergétique et environnemental complexe, la CNR a obtenu les autorisations administratives pour réaliser ces ouvrages le 31 décembre 2009.

Conception des ouvrages de franchissement des poissons

La construction de la PCH de Rochemaure s’accompagne d’ouvrages de franchissement des poissons, dans le sens amont – aval (dévalaison) et aval – amont (montaison).

Données d’entrée

La conception de ces ouvrages est basée sur les données biologiques et hydrologiques du Rhône. L’identification des espèces piscicoles concernées par le franchissement du barrage de Rochemaure constitue la base de la définition des ouvrages à mettre en œuvre. Ces espèces peuvent être scindées en deux groupes : les espèces migratrices amphibiotiques qui passent une partie de leur cycle vital en mer et une partie en eau douce et les espèces holobiotiques dont la totalité du cycle se déroule en eau douce.
Les espèces migratrices du bassin du Rhône sont l’alose feinte du Rhône (Alosa fallax Rhodanensis), la lamproie marine (Petromyzon marinus), la lamproie fluviatile (Lampetra fluviatilis), l’anguille (Anguilla anguilla) et la truite de mer (Salmo trutta). A l’exception de l’anguille dont la reproduction se déroule en mer (Mer des Sargasses), les autres espèces remontent en rivière pour effectuer leur reproduction. A ces espèces dont la migration en rivière est vitale, s’ajoutent des espèces qui vivent en mer et font des incursions en rivière essentiellement pour des raisons trophiques (nourriture en rivière). Il s’agit du muge (Mugil sp.) et du bar (Dicentrarchus labrax).
Pour les espèces holobiotiques, le franchissement des obstacles présente un intérêt dans le maintien de la diversité génétique. Ces espèces, telles que le brochet (Esox lucius) ou le sandre (Stizostedion lucioperca), ne font pas partie des espèces cibles pour ce site. Cependant, des dispositions sont prises pour leur permettre de franchir le barrage : enrochements de fond, limitation de l’énergie dissipée par bassin.
L’étude des périodes de migration de chaque espèce montre qu’il est nécessaire d’assurer le fonctionnement des ouvrages de franchissement pratiquement pendant toute l’année avec une période prioritaire comprise entre avril et septembre.
Les périodes de migration croisées avec l’hydrologie du Rhône permettent de déterminer les plages de débit et, par suite, de niveaux amont et aval pour lesquelles les dispositifs de franchissement sont fonctionnels et efficaces. Ainsi, la plage de fonctionnement optimal de l’ouvrage de montaison est comprise entre l’étiage et le débit dépassé 10 % du temps. Celle de l’ouvrage de dévalaison, identique à celle de la PCH, est comprise entre l’étiage et le débit dépassé 5 jours par an.

Conception de l’ouvrage de montaison

L’ouvrage de franchissement du barrage sera de type passe à bassins à fentes verticales. Dans ce type de passe, les poissons peuvent nager sur toute la hauteur de la section pour passer d’un bassin à l’autre et la nature des écoulements (jets de surface) est adaptée à toutes les espèces.
La future PCH est implantée en by-pass du barrage entre le canal usinier et le lit du vieux Rhône. La passe à poissons est positionnée en contournement du barrage et pour partie le long de la future petite centrale hydraulique. Les principes de conception mise en œuvre par la CNR pour définir l’implantation de cette dernière sont les suivants :

  • profiter de l’attrait produit par la restitution de la PCH en positionnant l’entrée de la passe à poissons le long de la berge ;
  • éviter que le débit de la passe à poissons soit masqué par l’écoulement provenant de la PCH ;
  • optimiser l’entrée de la passe pour plusieurs espèces dont les capacités de nage et les comportements migratoires sont très différents. Pour les poissons à forte capacité de nage, il est intéressant de rapprocher l’entrée de la passe de la turbine. Pour les espèces à capacité moindre, il est préférable de situer l’entrée plus à l’aval dans une zone moins turbulente.

En partenariat avec l’Office National de l’Eau et des Milieux aquatiques (ONEMA), l’entrée de la passe a été positionnée dans la zone du canal de fuite où la vitesse de l’écoulement est de l’ordre de 1 m/s. La figure suivante présente l’implantation de la PCH et de la passe à poissons.

implantation de la pch et de la passe a poissons de rochemaure

Figure 1 : Implantation de la PCH et de la passe à poissons de Rochemaure (source : CNR)



Les caractéristiques principales retenues pour le dimensionnement et le fonctionnement de la passe à poissons ont été déterminées à l’aide de l’ouvrage de conception des passes à poissons édité par le Conseil Supérieur de la Pêche [2], et validées avec le Groupe d’Hydraulique Appliquée aux Aménagements Piscicoles et à la Protection de l’Environnement (GHAAPPE) :

  • le débit d’attrait est fixé à 2 % du débit réservé, en l’occurrence ici 75 m³/s. Ainsi, le débit cible est de 1.5 m³/s ;
  • la puissance dissipée ciblée dans les bassins est inférieure ou égale à 150 W/m3 ;
  • la hauteur de chute entre les bassins est ciblée à 0.22 m ;
  • la hauteur de chute totale est de 10.60 m. La passe est composée de 50 bassins d’une largeur utile de 3.50 m et d’une longueur utile de 4.50 m ;
  • une vanne d’entrée (à l’aval de la passe), dont la position est asservie au niveau aval du Rhône, maintient en permanence une chute constante au-dessus de son tablier ;
  • une vanne de sortie de la passe (à l’amont) permet d’isoler la passe du plan d’eau amont. Elle comporte un orifice obturable pour maintenir si besoin un débit suffisant pour éviter que les poissons présents dans la passe ne meurent par privation d’eau ;
  • un automatisme local pilote ces vannes. Il est interfacé avec l’automate de la PCH, ce qui permet notamment, en cas d’arrêt de la passe à poissons pour maintenance, de faire reprendre par la turbine le débit qui transitait dans la passe.


Conception de l’ouvrage de dévalaison

Le premier système étudié par la CNR pour empêcher les poissons de passer à travers la turbine était une barrière à infrasons. Cependant, les résultats des études n’ont pas permis de conclure définitivement sur l’efficacité de ce système, notamment vis-à-vis de l’anguille. Ainsi, le système de dévalaison retenu est finalement une grille fine associée à un canal de dévalaison, unique système jugé efficace par l’ONEMA à ce jour.
Le dimensionnement et l’implantation de ces ouvrages ont été faits sur la base des recommandations du rapport du GHAAPPE de novembre 2008 : Guide pour la conception de prises d’eau « ichtyocompatibles » pour les petites centrales hydroélectriques [3].
La conception d’une prise d’eau « ichtyocompatible » doit permettre d’assurer trois fonctions fondamentales : l’arrêt des poissons, les empêchant ainsi de passer par les turbines ; leur guidage vers un système de transfert à l’aval ; le transfert à l’aval de l’aménagement sans dommage.
Dans le système de dévalaison de la PCH de Rochemaure, l’arrêt et le guidage des poissons sont réalisés par une grille fine implantée directement à l’amont du bloc usine au niveau de l’entonnement de la turbine.

coupe longitudinale du pch de rochemaure

Figure 2 : PCH de Rochemaure : Coupe longitudinale (source : CNR)



Le transfert à l’aval est effectué par plusieurs exutoires frontaux séparés par une tôle de raccordement situés en partie supérieure de la grille. Ces exutoires permettent aux poissons migrateurs, notamment les anguilles, d‘atteindre le canal de dévalaison. Ce dernier rejoint une zone équipée d’une vanne clapet permettant de contrôler le débit de dévalaison, immédiatement suivie d’un bassin de réception. A la sortie de ce bassin, le canal de dévalaison guide les poissons jusqu’au canal de fuite de la PCH.
Un dégrilleur adapté à la grille fine circule sur le haut du bloc usine. Afin de ne pas pénaliser l’exploitation et le rendement de la PCH, le dimensionnement et les performances de cet équipement ont été sensiblement accrus par rapport au dégrilleur prévu dans le projet initial avec une grille classique.
La figure suivante présente l’implantation du système de dévalaison.

implantation du systeme de devalaison de la pch de rochemaure

Figure 3 : Implantation du système de dévalaison de la PCH de Rochemaure (source : CNR)



Le dimensionnement du plan de grille consiste à déterminer d’une part l’espacement libre entre les barreaux assurant l’arrêt des poissons, et d’autre part la surface et l’inclinaison évitant leur placage sur la grille et les guidant vers les exutoires.
Au vu des caractéristiques des populations de poissons rencontrées dans le Rhône à Rochemaure, l’espacement libre entre les barreaux de la grille est fixé à 20 mm. Le critère assurant le non placage des poissons contre la grille concerne la vitesse normale au plan de grille VN, qui ne doit pas excéder 0.5 m/s. Le guidage des poissons vers les exutoires est réalisé par la vitesse tangentielle au plan de grille VT qui doit être au minimum égale à VN (Figure 4).
Le respect de ces critères conduit sur Rochemaure à définir un plan de grille de 192 m² incliné de 20° par rapport à l’horizontale et 45° par rapport au radier (Figure 2).

decomposition de la vitesse d approche va en vitesse normale vn et vitesse tangentielle vt

Figure 4 : Décomposition de la vitesse d'approche VA en vitesse normale VN et vitesse tangentielle VT (source : GHAAPPE)



Une modélisation numérique tridimensionnelle de la PCH a permis de vérifier le respect des critères sur les vitesses pour différents débits du Rhône. La figure 5 présente un extrait des résultats obtenus qui montre que la VN est inférieure à 0.5 m/s sur toute la surface de la grille et que le critère VT supérieur ou égal à VN est respecté sur plus de 80 % de la surface de la grille.

extrait des resultats de la modelisation numerique

Figure 5 : Extrait des résultats de la modélisation numérique (source : MODELYS)



La vanne clapet du canal de dévalaison remplit deux fonctions : créer une chute d’eau qui empêche le retour des poissons et ajuster le débit dans le canal de dévalaison en fonction de la cote du plan d’eau amont. Ce débit est fixé, en concertation avec l’ONEMA, au maximum à 4 % du débit de la PCH, soit 3 m3/s. Il sera éventuellement diminué si les essais sur site confirment l’efficacité du système avec un débit moindre.


Synthèse

La figure 6 donne une vision globale de l’ensemble des ouvrages : PCH, passe à poissons de montaison et ouvrages de dévalaison.

vue architecturale du projet de pch de rochemaure

Figure 6 : Vue architecturale du projet de PCH de Rochemaure (source : cabinet d’architectes 2BR)




Conclusions

Les ouvrages de Rochemaure visent une gestion équilibrée de la ressource en eau et une préservation de la production d’énergie renouvelable et se composent :

  • d’un volet énergie renouvelable qui comprend la réalisation de PCH en vue de compenser les pertes énergétiques à l’usine principale dues aux augmentations de débits réservés. Ce volet s’inscrit dans les orientations de la directive européenne relative à la production d’électricité à partir de sources d’énergie renouvelable ;
  • d’un volet continuité piscicole avec la construction de dispositifs de montaison et dévalaison pour les poissons. Ils s’inscrivent notamment dans les orientations de la directive cadre européenne sur l'eau (DCE) établissant le cadre communautaire dans le domaine de l’eau et poursuivant un objectif ambitieux de bon état écologique des eaux en 2015.


Références

  1. Le Plan Rhône est un partenariat mis en place par l’Etat (dont Agence de l’Eau Rhône Méditerranée & Corse, Voies Navigables de France et l’ADEME), les Conseils régionaux de Bourgogne, Franche-Comté, Languedoc-Roussillon, Provence-Alpes-Côte-d’Azur et Rhône-Alpes, le Comité de Bassin Rhône-Méditerranée et la Compagnie Nationale du Rhône (CNR). Le Plan Rhône s’inscrit donc dans une gestion concertée du fleuve et dans une perspective de long terme.
  2. LARINIER M., PORCHER J.P., TRAVADE F., GOSSET C. (1996) - Passes à poissons : expertise et conception des ouvrages de franchissement. Collection mise au point, Conseil Supérieur de la Pêche, Paris, France
  3. LARINIER M., COURET D. (2008) - Guide pour la conception de prises d’eau « ichtyocompatibles » pour les petites centrales hydroélectriques, RAPPORT GHAAPPE RA.08.04

Auteurs : Youann Level et Pascal Richard (Compagnie National du Rhône)

Cet article paru dans La Houille Blanche, n°6, 2011, p. 17-21 est reproduit avec l'autorisation des auteurs

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