Caractérisation de la ressource en eau

1. Les données

Les événements de crues sont des phénomènes ponctuels qui peuvent survenir irrégulièrement, à divers moments de l'année avec différentes intensités. Ces événements ne sont donc pas pertinents du point de vue de la ressource en eau à turbiner pour la production. La donnée appropriée pour cette étude est la chronique des débits moyens journaliers.

La chronique des débits moyens journaliers est une chronique de 365 valeurs de débits, chacun correspondant à un jour de l'année, du 1er janvier au 31 décembre inclus. Celle-ci ne présente pas les données mesurées sur une année particulière, mais une moyenne de mesures sur plusieurs années. Par exemple, le débit du 1er janvier est une moyenne des débits journaliers des 1ers janvier de toutes les années mesurées. Il en va de même pour tous les autres jours de l'année. L'ensemble des données ainsi obtenu a pour effet de lisser les événements rares, ceux qui ne se produisent pas tous les ans au même moment. Les grandes variations de débit au cours de l'année sont dependant conservées. Ce type de chronique caractérise le volume total écoulé ainsi que sa répartition au cours d'une année moyenne.

On peut observer sur la figure suivante les chroniques journalières de 2006, de 2007 et de 2008 ainsi que la chronique moyennée. Entre les années 2006, 2007 et 2008, on observe une grande variabilité, notamment des événements de hautes eaux. La chronique moyennée sur toutes les années permet de s'affranchir de cette variabilité. On observe cependant que les grandes variations de hautes et basses eaux à l'échelle de l'année sont conservées.

Figure 1. Chroniques des débits journaliers. [5]

 

2. Etude de la ressource

Pour la suite, on s'intéresse à la ressource turbinable, c'est-à-dire uniquement au débit circulant dans le canal d'amenée. Ainsi, il convient de retrancher au débit total mesuré à la station le débit passant au-dessus du seuil et alimentant le tronçon court-circuité. Comme illustré en figure 2, le débit turbinable ajouté au débit réservé est ainsi égal au débit total mesuré.

Figure 2. Plan cadastral du Moulin Priaud présentant les différents tronçons et débits. Source : [6]

En dehors des phases de très hautes eaux où la turbine est arrêtée et toute l'eau évacuée, un système automatisé permet de maintenir le débit passant par le tronçon court-circuité à la valeur du débit réservé, de manière à ce que tout le débit restant soit amené au moulin par le canal d'amenée. Ce système est détaillé dans l'étude technique et économique.

La législation impose que le débit réservé soit égal, au minimum, à un dixième du module. Le module de la Vouzance étant de 0,759 m3/s, le débit réservé est donc de 0,076 m3/s, soit 76 L/s. La chronique des débits journaliers moyens moyennés de 1998 à 2012 ainsi obtenue en retranchant le débit réservé est illustrée sur la figure suivante.

Figure 3. Chronique des débits moyens journaliers turbinables

A noter qu'aucune valeur négative n'est observée, ceci traduit le fait que sur une année moyenne, le débit total ne passe jamais en-dessous de la valeur du débit réservé. Il existe donc toujours une part de débit supplémentaire potentiellement turbinable. Il faut cependant garder à l'esprit que sur une année particulière, il est tout à fait possible que le débit total passe en dessous de la valeur de débit réservé. La figure venant après illustre les débits moyens mensuels, de Janvier à Décembre, et permet de mieux apprécier le cycle annuel de la Vouzance.

Figure 4. Chronique des débits moyens mensuels turbinables

3. Les débits classés

Les débits journaliers moyens permettent de construire la courbe des débits classés. Cette courbe reprend les 365 débits de l'année classés par ordre décroissant. Selon la méthode couramment employée dans les bureaux d'étude, une première bonne indication pour dimensionner la turbine est d'utiliser le débit passant 90 jours dans l'année.

Pour la Vouzance, le débit à 90 jours est de 1,06 m3/s.


Figure 5. Courbe des débits classés
 

4. Capacité de production de la turbine

Lors d'événements de hautes eaux, la production électrique est stoppée pour laisser la priorité à la sécurité du moulin. Tout comme il existe un débit minimum en dessous duquel il n'est pas possible de produire (le débit réservé), il existe également un débit maximum au-dessus duquel on ne produit pas. Il est usuel de considérer ce débit critique comme étant le débit de plein bord.

Par simulation hydraulique sous HEC-RAS (cf partie Risque inondation), le débit de plein-bord est estimé à 7,2 m3/s. Comme on peut l'observer sur la chronique des débits moyens journaliers (Figure 2), les débits maximums culminent à moins de 3 m3/s. Ceci laisserait supposer que le débit de plein-bord n'est jamais dépassé pendant l'année. En réalité, le débit de plein bord est dépassé tous les ans, mais à des moments de l'année variables. Ces débits de pointe, assez aléatoires, ne sont donc pas retranscrits sur l'hydrogramme d'une année moyenne. Ceci est nettement visible en Figure 1, où sont superposés les hydrogrammes de trois années particulières ainsi que l'hydrogramme moyenné sur les 15 ans. On observe cependant que sur l'ensemble des 15 années, le débit de plein bord est dépassé 60 fois, ce qui équivaut à 4 fois en moyenne par an.

Sur les débits observés, la totalité n'est pas turbinable. En effet, la turbine possède une capacité limitée, caractérisée par un débit maximal. Ce débit est estimé à Qmax=0.680 m3/s (selon l'Etude technique de la turbine). Il existe aussi un débit minimum, en dessous duquel l'énergie de l'écoulement n'est pas suffisante pour mettre la turbine en mouvement. Pour ce type de turbine Francis, le débit minimum est estimé à 22% du débit maximum, soit Qmin=0.150 m3/s. En accord avec cette plage de fonctionnement, il est possible de retraiter la chronique de débits. Il ne s'agit plus d'hydrologie à proprement parler mais de détermination de la ressource énergétique effective.

Les débits inférieurs à 0.150 m3/s ne sont pas suffisants pour mettre la turbine en marche. Du point de vue de la production, tous les débits inférieurs à cette valeur peuvent donc être considérés comme nuls. Pour la suite, ils seront donc tous considérés égaux à Q=0 m3/s. De même, le débit maximum admissible par la turbine est perdue du point de vue de la production électrique. Par la suite, on considérera tous les débits supérieurs à 0.680 m3/s comme égaux à 0.680 m3/s. Après avoir effectué ce traitement, la courbe des débits classés effectifs peut être établie. Sur les 287 jours où la turbine peut fonctionner, le débit moyen turbinable est de 0,56 m3/s. Cette valeur est inférieure de presque moitié au débit à 90 jours de 1,06 m3/s.


Figure 5. Courbe des débits classés effectifs, turbine Francis.

5. Capacité de production de la vis hydraulique

Dans le cas où la turbine Francis n'est pas conservée, la solution envisagée est la vis hydraulique (voir Installation techniquement optimale). L'avantage est de pouvoir la dimensionner par rapport aux débits observés. L'hypothèse faite dans l'étude technique est que le débit minimum admissible par la vis hydraulique est égale à 20% de son débit maximum (ou débit nominal). Tout comme pour la turbine Francis, tout débit inférieur au débit minimal ne peut pas mettre la vis en marche, et toute part excédentaire du débit nominal est perdue. Du point de vue du volume total turbinable sur l'année, la plage de fonctionnement optimale de la vis est obtenue pour un débit nominal de 2,1 m3/s. La figure 6 illustre le volume annuel total turbinable en fonction du débit nominal de la vis.

Pour un débit nominal de 2,1 m3/s, le débit minimum est donc de 0,42 m3/s. Connaissant la plage de fonctionnement, il est donc possible de reconstuire la courbe des débits classés de la ressource effective. Cette courbe est jointe en figure 7. Sur les 228 jours de fonctionnement de la turbine, le débit moyen est de 1,01 m3/s. Ce débit est très proche du débit à 90 jours de 1,06 m3/s, ce qui permet de conclure que la vis hydraulique est bien plus adaptée que la turbine Francis existante.


Figure 6. Optimisation du dimensionnement de la vis hydraulique
 


Figure 7. Courbe des débits classés effectifs, vis hydraulique.