Etude des besoins en eau de la station de Puy-Saint-Vincent dans l'hypothèse de son agrandissement


Étude des besoins en eau de la station de Puy-Saint-Vincent dans l'hypothèse de son agrandissement


source : http://www.puy-saint-vincent.fr

 

Bienvenue sur le site internet de notre projet sur l'agrandissement de la station Puy-Saint-Vincent (Hautes Alpes).

 

Il a été réalisé par huit étudiants ingénieurs originaires des trois écoles de l'Institut National Polytechnique de Toulouse dans le cadre du Bureau d'Études Industrielles ''Energies Renouvelables et Environnement''.

N'hésitez pas à nous contacter pour toute question!

 

Bonne lecture !

 

 

Résumé

Ce projet traite de la gestion de l'eau de la station de ski de Puy-Saint-Vincent. Un agrandissement du domaine skiable et du parc touristique est envisagé dans les années à venir. Le projet s'articule autour de quatre axes principaux qui sont l'étude hydrologique du bassin versant, l'aménagement du domaine skiable, l'étude des besoins en eau potable et l'étude des impacts environnementaux de ces aménagements sur le milieu naturel.

L’objectif de la première partie est l’étude de la ressource en eau sur le bassin versant de Puy­-Saint-Vincent afin de savoir si l’agrandissement de la station tel qu’il est envisagé, est possible. Deux modèles (HEC­HMS et CemaNeige) sont tout d’abord utilisés pour effectuer un bilan hydrologique de la situation actuelle. Après un calage et une validation sur une période de quatre ans, il apparaît que les débits présents sur le bassin versant sont trop faibles comparés aux besoins en eau croissants de la station. De plus, ce phénomène tend à s’accentuer du fait du changement climatique. En effet, la baisse de la couverture neigeuse simulée nécessite un enneigement artificiel plus conséquent. Il est donc impératif d’augmenter la capacité de stockage d’eau par la création d’une nouvelle retenue d’altitude. Une étude traitant de sa conception est réalisée afin de choisir l’emplacement, de dimensionner la retenue en elle­-même mais aussi les ouvrages associés tels que l’évacuateur de crue et le paravalanche. En cas de rupture, les risques d’inondation des villages à l’aval sont très importants, avec un surface inondée d’environ 1km2.

Dans le cas de la station de Puy-Saint-Vincent, l’enneigement artificiel porte sur deux cas distincts. Le premier est l’enneigement artificiel d’une plus grande partie du domaine skiable actuel. Aujourd’hui, 38% des pistes sont équipées de canons à neige et l’objectif est de faire passer ce ratio à 50% au minimum. Le deuxième est la création d’une nouvelle piste à basse altitude, permettant de connecter le domaine de Puy-Saint-Vincent au village de Vallouise, situé dans la vallée. Pour cela, le réseau d’adduction d’eau équipé de canon à neige est modélisé à l’aide du logiciel Porteau, et une validation du modèle est réalisée à partir de données de la saison 2013-2014. Le réservoir, d’une capacité de 27 000 m3, est capable, à l’aide de remplissages périodiques, de fournir près de 90 000 m3 d’eau sur une saison pour la production de neige artificielle. Cependant, ce volume n’est pas suffisant pour satisfaire un agrandissement du domaine et par conséquent, il est nécessaire de construire une nouvelle retenue. À partir du dimensionnement de cette retenue réalisé précédemment, le nouveau réseau d’adduction est modélisé, toujours à l’aide de Porteau. Deux choix sont proposés pour le nouveau réseau, et après une simulation sur une saison, chacun d’eux est réalisable compte tenu de la connaissance du volume et du débit de remplissage de la nouvelle retenue. En particulier, les débits d’eau et les pressions en chaque canon à neige sont dans la gamme de valeur attendue. Le choix final entre ces deux choix se fait donc sur des critères environnementaux et économiques, l’un deux étant légèrement plus coûteux à installer, mais l’autre pouvant entraîner des nuisances sonores et une dégradation des sols. 

Le troisième axe du projet consiste à étudier les besoins en eau potable de la commune du Puy Saint-Vincent engendrés par l’extension du parc touristique.En 2003, 12 000 lits étaient mis à disposition pour accueillir les touristes venant séjourner sur la commune. Une capacité de 4000 lits supplémentaires a la possibilité de voir le jour.
Dans un premier temps, une étude est faite afin de déterminer les ressources en eau potable actuellement disponibles. La source des Mondes représente la ressource principale de la commune. D’après l’arrêté préfectoral en vigueur datant du 26/12/2011, le prélèvement dans cette source est limité à 3456 m3 par jour. En 2003, 2400 m3 par jour ont été captés en période de pointe, ce qui représente 70% du volume maximal autorisé. La consommation journalière d’eau potable par habitant est estimée à 120 litres. Ainsi, l’agrandissement du parc touristique nécessite l’acheminement de 740 m3 d’eau potable supplémentaires en tenant compte du rendement du réseau de distribution estimé à 65%. Le captage de cette eau dans la source des Mondes porterait son utilisation à 91% de ses capacités et n’est pas la solution envisagée.
La seconde partie consiste en la construction d’une nouvelle usine de production d’eau potable. L’eau brute provient d’une nouvelle retenue collinaire qui est étudiée dans le premier axe du projet. Les étapes de traitements étudiées sont la filtration lente sur sable, la filtration membranaire (ultrafiltration et nanofiltration) et la désinfection. Le débit de production est de 35 m3 par heure soit 840 m3 par jour.
En parallèle, le réseau de distribution d’eau potable est étudié. Il consiste en cinq réservoirs d’une capacité de 500 m3 chacun. Un réservoir principal est alimenté par la source des Mondes et alimente à son tour les autres réservoirs par trop plein. Un bilan simplifié montre que ce réservoir est utilisé dans sa totalité. Un nouveau réservoir de 300 m3 est envisagé pour recevoir l’eau de l’usine de traitement et l’acheminer dans le réseau de distribution.

La quatrième partie de cette étude consiste en l’étude des impacts que peuvent avoir les différents aménagements sur le milieu naturel. Dans un premier temps, des études préliminaires permettent d’établir quatre sites potentiels de construction en prenant en compte à la fois la réglementation relatif au milieu montagnard (parcs naturels, zones protégées, espèces floristiques et faunistiques protégées) mais également les aléas naturels pouvant menacer chaque site afin d’éliminer des zones à risques ou de prévoir des aménagements spécifiques.
Les impacts de la neige de culture sont étudiés dans une seconde partie, en traitant des aspects climatique, hydrologique, floristique et faunistique. Du fait d’une densité plus importante, la neige artificielle peut altérer les sols en diminuant leurs échanges gazeux avec l’atmosphère et retarder la revégétalisation des pistes du fait d’un retard de fonte de quatre semaines en moyenne. Ces phénomènes ainsi qu’une surcharge locale favorisent les phénomènes d’érosion, modifiant le paysage et augmentant les risques de glissements de terrain. L’exemple de l’enneigement de nouvelles pistes sur la station sont l’occasion de proposer des mesures compensatoires.
Enfin, dans une troisième et dernière partie, les impacts de la construction d’une nouvelle retenue en milieu montagnard sont envisagés. Deux sites potentiels de construction sont situés sur des zones humides, et un troisième site pourrait entraîner l’assèchement de la zone humide située en aval. Les prélèvements d’eau qui s’effectuent dans les rivières environnantes afin de remplir la retenue provoqueraient la mise en danger d’espèces aquatiques en cas de non-respect des débits réservés. Des mesures compensatoires comme la revégétalisation des berges ou la recréation de zones humides avec déplacement des espèces devront être mises en place si le projet est accepté. 

 

Abstract

This project deals with the water management of the ski resort in Puy-Saint-Vincent. An enlargement of the ski resort and tourist facilities is proposed to satisfy the tourism requirement for the coming years. This project will be treated with four main parts which are the hydrological study of the catchment area, the adjustment of the skiing domain, the study of the drinking water distribution network and future needs, and the study of the environmental impacts of these adjustments.

The aim of the first part is to learn more about the watershed’s hydrological behaviour. A simulated water balance needs to be performed. Two softwares are thus used for modeling : CemaNeige will give a relevant discharge estimation and HEC-­HMS will provide snow depth values thanks to a specific template. Both of them will use snowmelt data. Hydrodynamic models calibration and validation are based on four-year meteorological data in order to get an optimal performance. Results show that discharges on the watershed are too low compared to the increasing water needs. This phenomenon is supposed to increase due to climate changes (rise of temperature and precipitation). To balance the upcoming lack of water, the construction of a new reservoir is envisaged (choice of possible localizations, retention basin scaling and safety structures). A particular attention is drawn for snow avalanche fences. Indeed downstream flood risks are high in case of avalanches or landslides. This exposure scenario would lead to a one square metre area affected.

To satisfy the enlargement of the ski resort, it is necessary to use snow­blowers, to fight on one hand against the global warming and on the other to offer better skiing conditions to the increasing tourist demand. In the case of the Puy­-Saint-­Vincent ski resort, the artificial snow coverage will concern two different parts. The first one is the artificial snow coverage of a largest part of the current ski slopes. Today, only 38 % of tracks are equipped with snow­blowers and the objective is to raise up this ratio to 50 %. The second is the creation of a low elevation new ski trail, allowing to connect the domain of Puy­-Saint-­Vincent to the village of Vallouise, located down the valley. Regarding the altitude, an artificial snow coverage is essential for this ski trail. A water conveyance network equipped with snow­blowers was modelled using the software Porteau, and a model validation was performed with season 2013-­2014 data. The 27000 cubic metre reservoir is filled few times a year, to reach a total volume of 90 000 cubic metres per season used for artificial snow production. However, this volume is not enough to satisfy the proposed domain enlargement. Consequently, it is necessary to build a new reservoir. The new water convenyance network was modelled using Porteau. Two choices are proposed for the new network. Thanks to a one season simulation, both of them are conceivable, considering the the volume and the new reservoir feed flow. Water flows and pressures in each snow­blower are in the range of expected values. The decision is finally made on environmental and economic criteria, knowing that the first one is slightly more expensive to install, and the other one causes noise pollutions and ground degradations.

The third part of the project consists in studying the drinking water ressources in Puy-Saint-Vincent. Currently, about 500 people are leaving there permanently and the city is able to host 12 000 tourists during the winter season. In order to increase tourism facilities, an extra 4 000 beds can be provided.
« La source des Mondes » is the main drinking water ressource currently used. According to the French legislation (prefectoral order from 2011), a maximum daily water volume of 3456 cubic metres is allowed to be withdrawn. In 2003, about 2400 cubic metres were daily pumped from the source during the winter season. This quantity represents 70% of the maximum volume allowed to be taken. The daily water consumption is estimated at 120 liters per person. An increase of 4 000 beds in the ski resort will lead to an extra drinking water production of 740 cubic metres per day. As the legislation changes regularly, a new drinking water treatment plant has been chosen as the best solution to provide an extra drinking water volume to the city. The raw water is pumped from a new hill reservoir designed on the first part of the project. Three drinking water treatment steps have been study : slow sand filtration, membrane filtration and disinfection.
Finally, the drinking water distribution system was investigated. It is composed of  five 500 cubic metre tanks. The main one is fed by « la source des Mondes ». The others are supplied with the overflow of the main tank. A study about the variation of the water volume in the main tank within a day showed that no extra water can be stored in it. An extra 300 cubic metre tank is considered to receive the extra drinking water production. 

The fourth part consists in studying the impacts of the different facilities on the natural environment. In a first step, preliminary studies allow to choose four potential construction areas for the new hill reservoir, taking into account regulations applicable in a mountain context (natural parks, protected areas, flora and fauna protected species). Natural hazards that could threat each construction areas are also considered to exclude risk areas or to forecast specific protection facilities.
The impacts of artificial snow are studied in a second part, dealing about climatic, hydrologic, flora and fauna aspects. Because of a greater density, artificial snow may alter soils, decreasing gas exchanges with atmosphere and delaying vegetation process for weeks. These phenomena, in addition of a local overload, promote landscape changes and erosion process, increasing landslide risks. The example of two new track snow cover are treated. They allow to develop compensatory policies. In a third part, the impacts caused by the new hill reservoir construction are envisaged. Two potential construction areas are situated on wetlands, and a third one may dry the downstream wetland. Water intakes in nearby rivers to fill the reservoir may jeopardize aquatic species if ecological instream flow regimes are not respected. Compensatory policies like shore revegetation or artificial wetlands creation should be set up if the project is accepted. 

 

Introduction et contexte général

Aux portes du massif des Écrins, Puy-Saint-Vincent est une commune du département des Hautes-Alpes située à 1400m d'altitude. En raison de sa situation géographique dans la vallée, elle est protégée des vents par les hauts sommets, ce qui lui vaut le surnom de "La protégée des vents". 

 

Figure 1 - Localisation de la station Puy-Saint-Vincent (source : IGN)

Sa position étant stratégique, une station de sports d'hiver a été développée dès 1968 et ne cesse de se développer au fil des années. Aujourd'hui, Puy-Saint-Vincent est une station de ski de taille moyenne, qui s'étend sur 3 niveaux : 1400, 1600 et 1800 m et qui compte 33 pistes de ski réparties sur 36 km. Une retenue d'altitude de 27 000m3 permet d'alimenter un réseau d'enneigeurs couvrant 20% du domaine. Le point culminant, la pointe de la Pendine, se trouve à 2746 m, ce qui offre à la station un dénivelé intéressant de plus de 1300 m.

Cette station de ski est au coeur des activités de la commune. Le tourisme hivernal représente la majorité des retombées économiques et une part importante des investissements. Face à la demande de plus en plus exigeante des clients et à la concurrence, Puy-Saint-Vincent cherche à se renouveler afin de rester attractive et moderne. Des investissements permettant de fournir un enneigement de qualité sur la totalité de la saison d'hiver et d'assurer une capacité d'accueil importante sont inévitables.
La partie inférieure de la station étant basse en altitude, la station est particulièrement vulnérable aux impacts du réchauffement climatique. Ce dernier risque de menacer, à long terme, le bon fonctionnement de la station. Face à la pénurie annoncée de neige, une diversification des activités n'est pas suffisante. La station n'a pas d'autre choix que de se développer pour faire face à ces différentes problématiques. Le recours à un agrandissement du domaine skiable, du parc d'enneigement artificiel et/ou du parc touristique est à envisager.

Cependant, tous ces agrandissements impliquent inexorablement l'augmentation des besoins en eau, que ce soit en terme d'eau potable ou de production de neige de culture. Dans un contexte où l'eau devient de plus en plus précieuse, une optimisation de la gestion de l'eau est nécessaire. Le projet mené ici s'intéresse à cette problématique de ressources en eau et de sa gestion afin de rendre possible l'agrandissement de la station.

Il répond à la problématique :

Quels aménagements et études inhérentes doivent-être réalisés pour rendre possible l'agrandissement considéré?

Contexte de l'étude

Le projet présenté ici, s'articule en plusieurs étapes, la première étant la définition de l'agrandissement qui pourrait être envisagé par la commune. Cet agrandissement sera réalisé à la fois sur la capacité de production de neige de culture et sur les capacités d'accueil de la station de ski. Suite à cette hypothèse d'agrandissement, plusieurs axes émergent. 

La première problématique à traiter est celle concernant la ressource en eau disponible sur le bassin versant. En effet, il est nécessaire de réaliser une étude hydrologique afin d'évaluer si l'agrandissement est possible, du point de vue de cette ressource. Pour ajuster l'hypothèse, l'étude de l'impact du réchauffement climatique sera effectuée. Un ouvrage de stockage de l'eau sera envisagé afin de palier aux étiages d'hiver et d'assurer le bon fonctionnement de la station (Binôme 1).

Cette ouvrage va permettre le stockage temporaire de l'eau nécessaire à la production de neige de culture et d'eau potable, qui font l'objet de deux grands axes. L'implantation d'un nouveau réseau de canons à neige va être pensé afin d'assurer un enneigement constant durant l'hiver. Une attention particulière sera portée à une utilisation restreinte de l'eau (Binôme 2). Parallèlement, une usine de traitement d'eau potable sera dimensionnée  afin de répondre aux besoins croissants en eau dans la station. Le raccordement de cette usine au réseau sera étudiée pour permettre une meilleure gestion (Binôme 3).

Par ailleurs, dans un contexte de développement durable, la prise en compte des impacts environnementaux induits par l'agrandissement de la station est indispensable. Le dernier axe d'étude s'attachera à évaluer ces impacts, à les inscrire dans leur contexte réglementaire et à proposer des mesures compensatoires (Binôme 4).

Les objectifs précis de chaque binôme sont détaillés ci-dessous.

Binôme 1 - Étude du bassin versant

Objectifs :

Deux objectifs principaux sont associés à cette première étude du bassin versant. Elle vise avant tout à vérifier et à proposer des solutions pour rendre possible l'agrandissement souhaité en terme de ressource et de disponibilité en eau.

Dans un premier, une analyse préliminaire de la réponse du bassin versant va s'articuler en deux temps. Ses objectifs sont :

  • évaluer les ressources en eau disponibles sur le bassin versant de Puy-Saint-Vincent
  • quantifier l'impact du réchauffement climatique sur les hauteurs de neige afin d'affiner l'hypothèse d'agrandissement

Dans un second temps, un dispositif pour le stockage de l'eau va être envisagé afin de palier au manque d'eau pendant la période d'étiage hivernale. L'objectif principal est ici de choisir le scénario le plus adéquat parmi les deux suivants :

  • scénario 1 : redimensionner la retenue actuellement existante sur le domaine
  • scénario 2 : créer une nouvelle retenue (choix du site et dimensionnement de l'ouvrage)

 

Moyens spécifiques :

Afin de réaliser les objectifs exposés ci-dessus, le logiciel HEC-HMS ainsi que le modèle GR4J avec un module de neige (modèle degré-jour) vont être utilisés. Ces deux outils permettent de modéliser la réponse hydrologique du bassin versant. Une comparaison des résultats et de leur pertinence pourra ainsi être réalisée.
Google Earth et ArcGIS vont également être utilisés afin de déterminer le choix du site d'implantation de la retenue dans le second scénario.

Afin de faciliter l'exécution des travaux et d'enrichir l'étude, des contacts auprès de professionnels ont été établis, notamment auprès de bureaux d'étude et de nos professeurs.

 

Diagramme prévisionnel :

Les différentes étapes de travail ont été planifiées suivant la durée que nous avons jugée nécessaire pour les réaliser ainsi que leur ordre d'exécution. Le diagramme suivant, illustre le planning prévisionnel de l'étude.


Figure 1 - Diagramme prévisionnel (source : Microsoft Project)

 

Modification du planning prévisionnel :

Au fil de l'avancée du projet, certains conclusions ont entrainé la modification de ce planning. En effet, la retenue envisagée est susceptible d'être impactée par des avalanches. Au vu des risques à l'aval, nous avons jugé pertinent de compléter notre analyse par une étude de la rupture de la retenue. Cette étude a été réalisée à l'aide du logiciel TELEMAC 2D. De plus, le redimensionnement de la retenue déjà présente sur le domaine skiable a été vite abandonnée car irréalisable d'un point de vue technique, sécuritaire mais aussi du point de vue de la ressource en eau.
Enfin, la conception de la retenue a fait l'objet d'un attention plus important que celle envisagée initialement. Chacun des composants de cette dernière a été cité et dimensionné si les données à notre disposition le permettaient.

 

Interaction entre binômes :

Afin d'assurer une cohésion dans la réponse de la problématique globale du projet, les différents travaux des binômes sont articulés entre eux, comme illustré sur la figure ci contre.


Figure 2 - Organigramme d'interaction entre binômes

La vérification de la possibilité d'agrandissement en terme de ressource en eau disponible va nécessiter des interactions avec les binômes 2 et 3. En effet, l'hypothèse d'agrandissement est fixé par ces deux groupes (augmentation des besoin en eau potable et pour les canons à neige). Suivant les résultats obtenus, il sera nécessaire d'informer les autres binômes de l'éventuelle modification, en terme de volume d'eau, de l'hypothèse afin qu'elle soit réalisable.

Des interactions fréquentes sont également nécessaires avec le binôme 4, dont les travaux portent sur l'étude d'impacts. Le dimensionnement qui est envisagé pour les retenues dépend en partie du résultat de leur étude, à la fois pour le site d'implantation et la conception de la retenue.

Le site d'implantation de la retenue sera communiqué aux binômes 2 et 3 afin qu'ils puissent dimensionner le réseau d'eau entre la retenue et les canons à neige ou l'usine de traitement des eaux.

 

 

Binôme 2 - Enneigement artificiel et aménagement du domaine skiable

Objectifs :

Le binôme 2 s'occupe de l'agrandissement du domaine skiable.

Notre étude peut se décliner en 4 étapes :

  • Hypothèse d'agrandissement afin de déterminer l'apport en eau supplémentaire dont la station aurait besoin.
  • Modélisation du réseau actuel pour mieux comprendre comment est répartie la ressource actuelle d'eau et quels sont les différents canons à neige.
  • Modélisation du nouveau réseau en proposant différentes possiblités qui seront discutées par la suite.
  • Étude de coûts afin de quantifier le coût de notre projet et de voir la rentabilité de notre projet.

Moyens spécifiques :

Pour répondre à nos problématiques nous utiliserons en grande partie le logiciel Porteau qui permet de simuler le réseau de distribution d'eau.

De même, nous avons pu contacter le responsable de l'enneigement artificiel de la station Puy Saint Vincent qui nous a donné de précieuses informations sur le réseau actuel et le fonctionnement des canons à neige.

Diagramme de Gantt :

Pour l'organisation de notre travail nous avons voulu essayer de planifier le projet. Cette planification a été effectuée avec Microsoft office et nous avons pu en dégager le diagramme de Gantt :

Figure 1 - Diagramme de Gantt

 

Les quatre principaux axes de notre étude ont une couleur différente.

  • 1 semaine a été jugée nécessaire pour l'obtention de l'hypothèse d'agrandissement. Cette hypothèse et la topographie du terrain sont les éléments clés de notre étude et c'est pourquoi nous y consacrerons ce temps.
  • 2 semaines seront utiles pour les renseignements sur le réseau actuel et l'élaboration de ce réseau.
  • 2 semaines seront consacrées au raccordement du nouveau réseau à l'ancien.Plusieurs choix seront testés et un des choix sera retenu à l'aide d'une étude environnementale faite par le binôme 4 et par une étude de coûts.
  • 1 semaine sera nécessaire pour faire un bilan sur les coûts qu'impliquerons l'agrandissement du domaine skiable de la station Saint Vincent et pour également préparer la soutenance en anglais de ce projet.

Diagramme d'interactions entre binômes :

Notre projet s'inscrit dans un projet commun, et nous serons constamment en interaction avec les autres binômes. Le diagramme ci-dessous représente les différentes tâches de chaques binômes et les interactions qui existent.

 

Figure 2 - Diagramme d'interactions entre binômes

  • Le binôme 1 pourra nous indiquer où puiser les ressources supplémentaires en eau et comment les utiliser.
  • Le binôme 3, qui s'intéresse à la au traitement de l'eau potable sera en relation avec nous lorsqu'il s'agira de puiser l'eau supplémentaire. En effet, l'usine de traitement aura des besoins en eau et nous aurons alors à nous ''partager'' l'eau et prendre en compte le débit sortant pour l'usine de traitement d'eau potable dans la modélisation sous Porteau.
  • Le binôme 4 étudiera l'impact environnemental des différentes situations que nous prévoyons de faire (notamment pour la création de nouvelles pistes, et les enneigements supplémentaires).  

 

Binôme 3 - Etude des besoins en eau potable

Objectifs :

Le binôme 3 s'intéresse aux besoins en eau potable de la commune de Puy Saint-Vincent.

L'étude se divise en 4 principaux axes :

  • Hypothèse d'agrandissement du parc touristique afin de déterminer le nombre de lits supplémentaires pouvant être envisagé. 
  • L'étude de la consommation et du réseau de distribution d'eau potable actuel.
  • L'étude des besoins en eau potable supplémentaires pour satisfaire l'augmentation des logements touristiques et l'impact sur le réseau de distribution actuel
  • Le dimensionnement d'une station de production d'eau potable

Moyens spécifiques et contacts :

Afin de mener à bien ce projet nous avons contacté différents acteurs de la commune (office du tourisme, mairie, responsable de l'enneigement artificiel) ainsi que des professionnels du traitement de l'eau (OTV Veolia). Par manque d'information sur le réseau d'eau potable actuel exploité en régie communale, des hypothèses ont été faites. Cette étude s'est inspirée d'une station de production d'eau potable construite sur la commune de Courchevel.

 

 

 

 

 

Binôme 4 - Impacts environnementaux des aménagements dans un contexte montagnard

Objectifs:

Le binôme 4 traite la partie sur les impacts que peuvent avoir les différents aménagements sur le milieu environnant. Tout au long du projet, nous allons travailler avec les trois autres groupes afin d'évaluer les impacts possibles des différents aménagements envisagés et dans certains cas de proposer des solutions ou mesures compensatoires. Notre travail est transversal et nous sommes en interaction permanente avec les autres binômes.

Notre étude se déroulera en trois étapes:

  • L'étude préliminaire: elle se fait avant chaque construction. Nous traiterons du contexte réglementaire qui régit la zone à construire ainsi que des milieux protégés. Nous traiterons également de la prise en compte des aléas naturels, éléments indispensables à connaître pour évaluer le risque de ces installations. Ces données nous permettront de proposer des sites potentiels pour l'implantation de la retenue. Enfin, dans une dernière partie, nous prospecterons le contexte géologique global afin de connaître les propriétés chimiques de l'eau potentiellement captée.
  • L'étude des impacts de la neige de culture: le binôme 3 prévoit l'agrandissement de la station avec l'enneigement de pistes par neige artificielle. Nous verrons ici les impacts que peut avoir la fabrication et l'utilisation de neige artificielle sur le milieu environnant, que ce soit sur la faune, la flore mais également sur le fonctionnement hydrologique. Nous verrons l'exemple de deux nouvelles pistes candidates à l'installation de canons à neige, ainsi que les mesures compensatoires visant à réduire ou à compenser leurs impacts négatifs. 
  • L'étude des impacts de la construction de la nouvelle retenue collinaire: le projet global prévoit la construction d'une nouvelle retenue sur le domaine skiable. Dans cette partie, nous étudierons les impacts de la construction et de la présence de cette retenue sur le milieu environnant. 

Moyens spécifiques:

Afin de mener à bien notre étude, nous nous sommes appuyés sur des plate-forme d'information en ligne pour accéder à des images satellites nous permettant de faire une ébauche d'étude de terrain, comme Googe Earth. Les données cartographiques ont été compilées avec le logiciel ArcGIS

Prévision et organisation du travail:

Le projet se déroulant sur plusieurs semaines, il était important de planifier le travail et de se partager les tâches. Pour cela, nous avons réalisé un diagramme de Gantt. Tout au long du projet, il nous a permis d'évaluer l'avancée du travail et de prévoir d'éventuels retards. 

Figure 1 - Diagramme de Gantt. Le code couleur permet de partager les tâches dans le groupe.

Interactions avec les autres binômes:

Comme indiqué précédemment, notre travail est étroitement lié avec celui des trois autres binômes, et les échanges sont nécessaires afin de faire avancer le projet de groupe dans son ensemble. 

  • La collaboration avec le binôme 1 permettra de définir des sites potentiels d'implantation de la retenue en identifiant les zones protégées et à risques. Cela passera, entre autres, par des études géologiques et la cartographie du site. Nous traiterons également avec eux des impacts possibles de la retenue collinaire et proposerons des solutions compensatoires lors de sa construction. 
  • Nous traiterons des impacts de la neige de culture avec le binôme 2. Nous travaillerons notamment avec eux pour l'enneigement des nouvelles pistes afin d'optimiser leur utilisation et réduire les impacts sur le milieu naturel.
  • La collaboration avec le binôme 2 nous permettra d'évaluer les caractéristiques de l'eau disponibles grâce aux études géologiques.

Présentation de l'équipe

Pour mener à bien le projet nous sommes huit étudiants issus des trois écoles de l'INP Toulouse  :

  • ENSAT (École Nationale Supérieure Agronomique de Toulouse),
  • ENSIACET (École Nationale Supérieure des Ingénieurs en Arts Chimiques et Technologiques),
  • ENSEEIHT (École Nationale Supérieure d'Électrotechnique, d'Électronique, d'Informatique, d'Hydraulique et des Télécommunications).

 

Binôme 1 - Etude du bassin versant : 

  • Justine CAILLET, élève ingénieur ENSEEIHT

Option de troisième année : Sciences de l'Eau et de l'Environnement

Contact : justine.caillet@etu.enseeiht.fr

 
  • Claire LEGRAND, élève ingénieur ENSEEIHT

Option de troisième année : Sciences de l'Eau et de l'Environnement

Contact : claire.legrand2@etu.enseeiht.fr

 

Binôme 2 - Enneigement artificiel et aménagement du domaine skiable : 

  • Anne ROUILLARD, élève ingénieur ENSEEIHT

Option de troisième année : Sciences de l'Eau et de l'Environnement

Contact : anne.rouillard@etu.enseeiht.fr

 

  • Arthur TRIQUET, élève ingénieur ENSEEIHT

Option de troisième année : Sciences de l'Eau et de l'Environnement

Contact : arthur.triquet@etu.enseeiht.fr

 

Binôme 3 - Etude des besoins en eau potable 

  • Pascal DELBOSC, élève ingénieur ENSIACET

Option de troisième année : Génie de l'Environnement

Contact : pascal.delbosc@ensiacet.fr

 

  • Orlane ROBIN, élève ingénieur ENSIACET

Option de troisième année : Génie de l'Environnement

Contact : orlane.robin@ensiacet.fr

 

Binôme 4 - Impacts environnementaux des aménagements dans un contexte montagnard : 

  • Bilel CHAHED, élève ingénieur ENSAT

Option de troisième année : Génie de l'Environnement

Contact : bilel.chahed@etu.ensat.fr

 

  • Zoé LAURENT, élève ingénieur ENSAT

Option de troisième année : Génie de l'Environnement

Contact : zoe.laurent@etu.ensat.fr

 

 

Projet

Dans cette partie, les différentes étapes du projet seront présentées. Chacune d'elle a été réalisée par l'un des binômes. 

Étude du bassin versant

Cette partie, réalisée par le binôme 1, traite du comportement hydrologique actuel et futur du bassin versant de Puy-Saint-Vincent mais également de la possibilité, du point de vue de la ressource en eau, d'agrandir la station.

L'étude présentée ci-après se décline en deux parties :

  • Etude hydrologique du bassin versant afin de connaître la ressource en eau actuellement disponible et les modifications d'enneigement conséquents au changement climatique pour les années à venir
  • Solutions envisagées pour le stockage de l'eau afin de satisfaire les besoins en eau dans le cadre d'un agrandissement de la station et de palier aux étiages d'hiver.

Outre le choix de la solution de stockage, ce deuxième axe détaille plus particulièrement la conception d'une nouvelle retenue (solution finalement retenue) et le dimensionnement des ouvrages de protection associés. La nécessité de ces derniers sera exposée suite à une étude en cas de rupture de cette retenue. La rupture et ses conséquences font l'objet de la dernière section développée dans cette partie.

Etude hydrologique du bassin versant

L'objectif du projet étant l'évaluation de la possibilité d'agrandissement de la station de Puy-Saint-Vincent du point de vue de la ressource en eau du bassin, une étude hydrologique de la situation actuelle est primordiale.

Une modélisation sera tout d'abord proposée dans le but d'établir un bilan hydrologique du bassin et de quantifier les débits qui ruissellent. En effet, quantifier les apports en eau naturels tout au long de l'année sera la base de notre étude du contexte actuel. Il permettra de définir les possibilités de remplissage de la retenue à partir des eaux du bassin versant.

Afin de justifier et de quantifier l'augmentation de la zone enneigée artificiellement, une étude se basant sur la variation de pluviométrie et la hausse des températures en raison du réchauffement climatique, sera réalisée. Ainsi, à plus ou moins long terme, des variations importantes de hauteurs de neige et de période de fonte seront observées et comparées à celles attendues.

Présentation des données

La recherche de données est une phase longue et fastidieuse mais absolument essentielle pour la validité de l'étude. En effet, les informations disponibles dans les zones de montagne sont rares et très souvent imprécises, d'autant plus que les phénomènes peuvent être très localisés et temporellement ponctuels. N'étant pas en mesure d'effectuer une campagne sur le terrain, nos sources sont donc très diverses.

Au vu des paramètres à intégrer aux modèles, il était impératif de trouver des données journalières. Les données de températures minimales et maximales ainsi que la pluviométrie étaient à disposition sur le site de Météo France (station de mesure à Puy-Saint-Vincent située à 1380m). Les informations sur la neige (épaisseur maximale au sol observée en 24h, épaisseur totale de neige au sol à 6h UTC, hauteur de neige fraîche tombée en 24h) nous ont été fournies après demande spécifique dans l'espace des Données Publiques de Météo France. Les données à notre disposition couvrent la période 2010-2014.

Pour le calage des modèles, il nous a également fallu calculer les débits s'écoulant dans le torrent de la combe de Narreyroux. Or, du fait de la faible importance de ce cours d'eau, aucune information n'existe a priori. Les seules données disponibles ont été des données mensuelles moyennées sur 5 ans fournies par la DDT (Direction Départementales des Territoires). Ces données de débits sont au niveau de prises d'eau situées aux confluences du Gyr et de l'Eychauda et du Gyr et de l'Onde. Une répartition des débits des différents affluents du Gyr suivant la superficie des sous-bassins versants a été réalisée pour obtenir une estimation du débit de l'Onde (voir figure 1). Connaissant le débit de l'Onde, cette opération a été réitérée sur cette rivière afin de déterminer le débit moyen mensuel du torrent de la combe de Narreyroux, affluent principal de l'Onde.

Figure 1 - Répartition des débits suivant les superficies des bassins versants tracés en noirs (Source : Carte IGN)

Toutes ces données présentent des incertitudes plus ou moins fortes mais sont suffisantes dans notre cas, pour obtenir les estimations souhaitées. Les valeurs obtenues ont été comparées aux données présentes dans la littérature afin de s'assurer de la cohérence des résultats.

En résumé, les données à notre disposition sont :
- les températures journalières minimales, maximales et moyennes entre 2010 et 2014 à Puy-Saint-Vincent à 1380m
- la pluviométrie journalière entre 2010 et 2014 à Puy-Saint-Vincent à 1380m
- les données de hauteurs de neige relevées à 6h UTC entre 2010 et 2014 à Puy-Saint-Vincent à 1380m
​- les données de débits mensuels moyennés sur 5 ans du torrent de Narreyroux à l'exutoire du bassin versant de Narreyroux.
 

Modélisation du comportement hydrologique du bassin versant

Le bilan hydrologique de l'ensemble du bassin versant sera établi grâce à deux modèles, le modèle GR4J et un des modèles disponibles dans le logiciel HEC-HMS, auxquels seront associés des modèles de neige :
- un modèle degré-jour pour lequel la fonte est proportionnelle à l'écart entre la température journalière et une température de base, ici CemaNeige (associé avec GR4J)
- un modèle basé sur la conservation de l'énergie et de la masse du manteau neigeux, associé à HEC-HMS.

Dans un souci de simplification, le bassin versant sera divisé en deux (voir figure 1) avec d'une part, la combe de Narreyroux dans laquelle s'écoule le torrent de la combe de Narreyroux et d'autre part, la zone sur laquelle s'étend la commune et le domaine skiable de Puy-Saint-Vincent. Les données collectées sont en effet de nature différente sur ces deux sous-bassins.

Figure 1 - Découpage du bassin versant en deux sous bassins (Source : Carte IGN)

Les bassins versants, dont nous allons faire l'étude, sont caractérisés par les singularités propres aux zones de montagne. Ces bassins versants peuvent être soumis à divers régimes hydrologiques régis par l'altitude :
- régime strictement glaciaire au-dessus de 2000-2500 m. Il est caractérisé par une fonte des neiges accrues en période estivale
- régime nival entre 1000 et 2000 m, caractérisé par des fontes de neige au printemps et des pluies fréquentes en cette période
- régime pluvial pour les plus faibles altitudes, pour lequel la neige n'a plus d'impact majeur.
Ces différents comportements hydrologiques entrainent la nécessite de diviser le bassin en tranches d'altitudes afin de mieux représenter le comportement du bassin versant.

Si le découpage en deux sous-bassins est identique pour les deux modèles, la répartition en zones d'élévation distinctes diffèrent cependant suivant le modèle utilisé. Il sera donc précisé dans les deux parties à suivre.

Une comparaison des résultats issus de ces deux méthodes sera effectuée, après un calage et une validation de ces deux modèles pour les années 2010 à 2014 afin d'en connaître les avantages et inconvénients. Le bilan hydrologique doit être réalisé avec soin actuel dans la mesure où il va permettre de déterminer la ou les zones de pompages qui permettront de satisfaire les besoins en eau croissant de la station.

 

Modèle sur HEC-HMS

HEC-HMS (Hydrologic Modeling System) est un logiciel de modélisation des processus hydrologiques très complet. Il inclut, en effet, la simulation de phénomènes classiques tels que l'infiltration et le ruissellement mais également l'évaporation et la fonte dans la neige quand la situation le nécessite, ce qui est le cas dans notre étude.

Choix des modules

Le projet créé sur HEC-HMS contient les sous-bassins de Narreyroux et de Puy-Saint-Vincent, reliés par une jonction à l'exutoire. Au vu des faibles connaissances sur leurs caractéristiques respectives, les modèles d'infiltration et de ruissellement seront identiques pour les deux sous-bassins. Il en est de même pour les données météorologiques utilisées lors des calculs. 

Au vu des informations en notre possession et des descriptions fournies dans le manuel d'utilisation de HEC-HMS, les modèles utilisés pour la description d'un sous-bassin sont :
- Deficit and Constant pour le modèle d'infiltration
- SCS Unit Hydrograph pour le modèle de ruissellement
- Constant Monthly pour l'écoulement de base

Afin d'augmenter la précision du modèle, les bassins versants sont découpés en tranches d'altitude permettant ainsi la variation des données climatiques en fonction de l'élévation de la zone. Ainsi, le bassin de Puy-Saint-Vincent est réparti en sept bandes entre 1190m et 2750m d'altitude (six zones de 200m chacune et la plus haute d'environ 300m) et celui de Narreyroux en neuf bandes entre 975m et  3250m d'altitude (la plus basse de 50m, sept zones de 200m chacune et la plus haute d'environ 500m).

Pour le modèle météorologique, les précipitations sont extraites sans modification du hyétographe (Specified Hyetograph), les paramètres concernant la température tels que la température du sol et les conditions de fonte de la neige sont fixés dans le module Temperature Index et l'évapotranspiration est estimée par moyenne mensuelle (Monthly Average).

HEC-HMS est programmé pour déterminer, en fonction de la température, si les précipitations sont sous forme de neige ou de pluie. La précision des données de température et du calage des paramètres de fonte est donc essentielle pour la validité des résultats.

Calage du modèle

Après avoir défini, de manière approximative, les paramètres du logiciel, il est nécessaire d'effectuer un calage du modèle. Ce dernier sera réalisé en deux parties, d'une part un calage des paramètres du bassin de Narreyroux grâce aux débits du torrent de Narreyroux et d'autre part un calage des paramètres concernant la neige sur le bassin de Puy-Saint-Vincent grâce aux hauteurs de neige mesurées. Afin de faciliter le réglage de certains paramètres, la simulation débutera en juillet, mois pour lequel on considèrera le bassin sans neige. Le modèle devant être efficient sur plusieurs saisons, il sera calé sur deux ans (entre 2010 et 2012).

Les paramètres finaux choisis sont récapitulés dans les tableaux suivants :

Tableau 1 - Paramètres choisis pour caractériser le bassin versant sur HEC-HMS

Paramètre du bassin versant Valeur choisie
Initial Deficit (mm) 1.0
Maximum Storage (mm) 40
Constant Rate (mm/hr) 0.1
Impervious (%) 15.0
Lag Time (min) 20 000
Constant Monthly (m3/s) 0.005

Tableau 2 - Paramètres choisis pour modéliser la fonte sur HEC-HMS

Paramètre de fonte Valeur choisie
PX Temperature (°C) 0
Base Temperature (°C) 3
Wet Meltrate (mm/°C/jour) 3.3
Rain Rate Limit (mm/jour) 1
ATI-Meltrate Coefficient 0.98
Cold Limit (mm/jour) 20
ATI-Coldrate Coefficient 0.2
Water Capacity (%) 10
Groundmelt Method Fixed Value
Groundmelt (mm/jour) 0.025

Deux fonctions sont également à définir. Ne connaissant pas les ordres de grandeurs de ces fonctions, nous avons utilisé les valeur fournies pour un cas d'étude similaire.

Tableau 3 - Fonctions de fonte

  ATI-Meltrate Functions ATI-Coldrate Functions
Ati (°C/jour) Meltrate (mm/°C/jour) Coldrate (mm/°C/jour)
-10 X 1.2
0 1.09 1.22
38 1.32 1.32
93 1.78 1.32
1000 1.78 1.32

Lors de ce calage, certains paramètres se sont avérés très sensibles. Une modification mineure de leur valeur entraînent des résultats très différents. Le Lag Time, pour la modélisation du bassin et la Water Capacity, pour celle du module de neige, sont apparus comme les paramètres clé à caler.

Les débits moyens à l'exutoire finalement modélisés sont présentés sur la figure 1. On peut observer d'une part les débits moyens mensuels sur chaque année (2010-2011 et 2011-2012) puis la moyenne de ces deux années et d'autre part le débit de référence estimé comme expliqué dans la partie précédente.

Figure 1 - Graphe pour le calage comparant les débits observés et simulés

On remarque que l'allure générale de la courbe est respectée pour les mois d'hiver et de printemps. Cependant, pour la saison estivale et automnale, les résultats ne sont pas très pertinents. Étant dans l'impossibilité d'obtenir une estimation correcte sur l'année entière, le choix a été fait de privilégier la similitude entre valeurs observées et simulées en hiver, période la plus concernée par le projet. On trouve ainsi une erreur relative moyenne sur l'ensemble de l'année de 55% contre seulement 5% sur les mois de décembre à juin, soit la période avec la plus forte possibilité d'enneigement.
Les courbes de débits moyens obtenus pour les deux années sont très différentes mais ce résultat est cohérent au vu des pluviométries moyennes mensuelles qui, elles aussi, diffèrent de manière significative entre 2010 et 2012 (voir figure 2).

Figure 2 - Graphe de la pluviométrie ayant servie pour le calage

Outre les variations annuelles de climat, il est également possible de s'interroger sur la validité des données de débit nous servant de référence. En effet, la seule hausse de débit apparaît au moment de la fonte alors qu'on retrouve des pluviométries importantes aux mois d'octobre et novembre. Ce phénomène peut s'expliquer par le fait qu'une grande partie du bassin versant de Narreyroux est recouvert par des glaciers d'où une surreprésentation de la fonte des glaces dans le modèle. Cette explication est validée lors de l'observation des débits : le pic des débits en automne est très faible à l'exutoire du torrent comparé à celui à l'exutoire du bassin de Puy-Saint-Vincent.

Pour ce qui est de l'enneigement, malgré les données de hauteurs de neige en centimètre, le Snow Water Equivalent ($SWE = H  d_{neige} / d_{eau}$) en millimètre , où H est la hauteur de neige et d la densité), sera utilisée comme grandeur pour la comparaison, cette information étant celle fournie en sortie de calcul de HEC-HMS. Etant uniquement en possession de données à Puy-Saint-Vincent, les résultats ne seront pas observés à l'exutoire (nous ne tiendrons pas compte des résultats sur le bassin de Narreyroux).

Figure 3 - Graphe pour le calage comparant les SWE

On remarque que si les tendances sont respectées, la courbe de fonte de la neige modélisée est bien plus étalée dans le temps que celle tracée à partir des données Météo France. En effet, on décompte 214 jours enneigés pour HEC-HMS qui ne le sont pas pour Météo France. Il est tout de fois important de savoir que le logiciel ne fournit pas de résultats pour chaque tranche d'altitude mais en fait une moyenne. Or les mesures de Météo France sont effectuées dans la commune de Puy-Saint-Vincent à 1380m d'altitude c'est-à-dire à la limite entre les deux bandes les plus basses alors que le bassin est découpé en sept. Il paraît donc cohérent que l'enneigement trouvé soit plus important. Cependant, lors de la présence avérée de neige, l'erreur de la simulation n'est que de 15%, valeur relativement faible.
On note également une fonte observée extrêmement rapide sur la dernière quinzaine de mars 2011 s'expliquant par une hausse significative des températures minimales qui deviennent alors positives. Cependant, les températures moyennes n'en sont que très peu affectées. Or HEC-HMS n'utilise que des températures moyennes. La seule prise en compte d'une température moyenne semble alors expliquer la différence de fonte.

Le calage du modèle étant terminé, il est à présent nécessaire de le valider.

Validation du modèle

La validation aura lieu sur les deux années suivantes malgré le fait que le dernier hiver soit tronqué du fait de l'absence de données de neige après décembre 2014.

Les résultats trouvés pour les débits sont assez similaires. On observe toujours un pic de débit sur la saison automnale. L'erreur relative annuelle est de 60% soit assez proche de celle obtenue lors du calage et l'erreur sur les mois enneigés a triplé, passant de 5% à 15%.

L'allure générale du SWE est mieux représentée temporellement même si on remarque que les hauteurs de neige sont toujours nettement plus importantes que celles mesurées par Météo France du fait de la moyenne effectuée par HEC-HMS. L'erreur obtenue sur le seul hiver de 2012-2013 est de 80%, l'hiver 2013-2014 n'étant pas modélisé. Le nombre de jour pour lequel Météo France donne un enneigement nul contrairement à HEC-HMS passe de 214 à 198 soit une amélioration de deux semaines et demi.

Il aurait toutefois été nécessaire d'avoir les données sur deux hivers consécutifs afin de valider correctement le modèle. En effet, les hivers se suivent et ne se ressemblent pas, d'où l'intérêt de moyenner les résultats.

 

Pour conclure, on remarquera que l'interprétation des résultats est rendue difficile par les singularités propres aux zones de montagne. Le manque de données précises limite les performances du modèle. En effet, les phénomènes hydrologiques (écoulement de surface, pluie) possèdent une très grande variabilité spatiale, les données de débit sont très souvent absentes, la présence tout au plus d'un pluviomètre à l'aval du bassin ne permet pas de prendre en compte l'effet local des précipitations.

Modèle CemaNeige

Plusieurs outils de modélisation hydrologique permettent de prendre en considération la neige. Parmi les modules disponibles, le modèle CemaNeige, développé par l'Irstea, est un modèle simple (à deux paramètres) dont les performances ont été testées sur de nombreux bassins versants (plus de 380) lors de son développement (Modélisation précipitations-débit sous influence nivale. Elaboration d'un module neige et évaluation sur 380 bassins versants de A.Valéry, 2010) . Il a été couplé à plusieurs modèles hydrologiques classiques (HBV, MORDOR, GR4J et TOPMO) et les performances ont été analysées afin de déterminer les associations entre modèles les plus pertinentes. En raison de la pertinence des résultats et des données à notre disposition, le couplage entre le modèle GR4J (modèle Génie Rural à 4 paramètres Journaliers) et CemaNeige, a été retenu pour les simulations.

Modèle GR4J

Il s'agit d'un modèle conceptuel permettant d'évaluer la réponse d'un bassin versant en terme de débit. Il ne fait appel à aucune physique des écoulements, l'approche empirique ayant été prônée. Ce modèle se veut général (applicable à des bassins versants variés) et fournit une représentation globale du bassin versant.

Les données nécessaires au fonctionnement du modèle sont de trois types : pluie, évapotranspiration potentielle (calculé par le modèle à partir des températures moyennes et de la latitude) et débit (uniquement pour le calage). Ces données sont des données classiques fournies par les stations météorologiques.

Le modèle fait intervenir plusieurs réservoirs reliés entre eux (réservoirs de production et de routage) qui se remplissent et se vident afin de modéliser la réponse du bassin versant. Il est nécessaire de réaliser une initialisation du modèle. En effet, il existe un régime transitoire pendant lequel les différents réservoirs se remplissent avant d'atteindre le régime avec les valeurs demandées. Quatre paramètres permettent de réguler la capacité des réservoirs et leurs remplissages :

- X1 : paramètre représentant la capacité du réservoir de production (mm)
Lorsqu'il diminue, l'amplitude du débit augmente. Il y a donc un étirement vertical des valeurs de débit. La capacité de rétention diminuant, le débit issu de ce réservoir est donc plus important.

- X2 : coefficient d'échanges souterrain (mm)
Lorsque ce paramètre diminue, les valeurs de débits sont translatées vers le bas. En effet, X2>0 correspond à un apport souterrain, tandis que X2<0 correspond à une perte.

- X3 : capacité à un jour du réservoir de routage (mm)
Lorsqu'il diminue, les valeurs de Q sont augmentées. En effet, si la capacité de réservoir diminue, l'excédent d'eau arrivant au réservoir est restitué sous forme de débit, d'où son augmentation.

- X4 : temps de base de l'hydrogramme unitaire (jour)
Lorsque ce paramètre augmente, une translation des valeurs de débit vers la droite est constatée. Les pics de valeurs sont également lissées. L'augmentation de X4 entraîne l'allongement de la réponse du bassin versant, d'où la translation.

Modèle CemaNeige

L'association du modèle GR4J avec ce module permet de mieux représenter la réponse des bassin versant d'altitude influencé par une composante nivale. Le débit à l'exutoire est, dans ce cas, issu à la fois des précipitations liquides et de la fonte de la neige.
L'objectif du modèle de neige est de calculer la contribution de la fonte de la neige au ruissellement. Ce résultat est ensuite intégré dans le modèle hydrologique GR4J pour améliorer les résultats de la modélisation.

Pour davantage de précision dans ses calculs, CemaNeige propose une discrétisation des paramètres suivant l'altitude afin de prendre en compte les variation de régimes hydrologiques (régime pluvial, nival ou glaciaire). Ainsi les bassins versants sont découpés en tranches d'altitude permettant ainsi de prendre en compte la variation des données climatiques en fonction de l'élévation de la zone. L'étude menée lors du développement du module a montré que l'utilisation de cinq tranches d'altitude était appropriée pour la prise en compte des gradients orographiques. Nous avons donc choisi de découper le bassin versant en cinq zones. Les zones doivent être de même surface.

Le modèle CemaNeige permet de séparer les précipitations neigeuses des précipitations liquides à partir des températures minimales et maximales de la journée. Le manteau neigeux est également modélisé : le SWE (snow water equivalent), la température du manteau ainsi que sa hauteur. L'accumulation et la fonte de la neige sont calculées chaque jour pour chacune des cinq bandes d'altitude. L'accumulation est obtenue en ajoutant les précipitations solides au manteau de neige déjà présent, la fonte est calculée en tenant compte de l'état thermique du manteau (fonte lorsque le manteau atteint 0°C).

Les données d'entrée nécessaires au calcul de ces composantes sont les températures minimales, maximales et moyennes (afin de calculer la fraction de précipitation liquide) ainsi que les précipitations totales. Pour notre part, toutes les données sont issues d'une seule station placée à 1380m. Pour prendre en compte leur variation suivant l'altitude, un gradient de température est appliqué (-6.5°C/km) et la pluviométrie est augmentée avec l'altitude moyennant un facteur de correction. Le principe de fonctionnement du modèle est détaillée sur la figure ci-contre.


Figure 1 - Principe de fonctionnment du modèle Cemaneige (source : Modélisation précipitations-débit sous influnce nivale. Elaboration d'un module neige et évaluation sur 380 bassins versants. A.Valéry, 2010)

Le module de neige repose sur la méthode degré-jour pour calculer la quantité de neige susceptible de fondre F, $F=K_f(T- T_b)$. La fonte est ici considérée comme proportionnelle à l'écart entre la température journalière T et une température de référence Tb classiquement fixée à 0°C. Le facteur degré-jour Kf doit être calé afin de représenter la vitesse de fonte réellement observée. Ce modèle est régulièrement utilisé pour la modélisation de la fonte de la neige car il repose sur les données météorologiques habituellement relevées sur les sites.

Deux paramètres peuvent être calés : 
- le coefficient de pondération de l'état thermique du manteau, CTG, compris entre 0 et 1
- le facteur degré-jour, Kf, (en mm/°C) qui varie entre 2 et 6.

Calage du modèle 

Afin de pouvoir déterminer le débit ruisselant sur le bassin versant de Puy-Saint-Vincent, nous considérons dans un premier temps le bassin versant adjacent de la Combe de Narreyroux. En effet, nous possédons des données de débits mensuelles dans cette combe à l'exutoire permettant de caler les paramètres du modèle. La période de calage s'étend sur les années 2010-2011 et 2011-2012.
L'initialisation du modèle est réalisée sur une période d'été, évitant ainsi les erreurs d'estimation de la hauteur et de la température du manteau neigeux.

Les résultats obtenus après calage sont représentés sur le graphe ci-contre. Les débits mensuels moyens des deux années disponibles pour le calage ont été utilisés afin de comparer des données mensuelles entre elles, bien que les résultats issus du modèle CemaNeige soient des débits journaliers.


Figure 2 - Calage des paramètres du modèle GR4J-Cemaneige. 
Le débit tracé est la moyenne des débits des deux années  2010-2011 et 2011-2012.

Les débits mensuels obtenus sont cohérents avec ceux observés. La hausse de débit est en juin lors de la période de fonte et la période d'étiage en hiver (janvier-février) est présente. On remarque toutefois, bien que la date du pic de débit soit toujours au mois de juin, que l'amplitude est sous-estimée (erreur relative de 22%). 
Ces erreurs peuvent résulter de deux points principaux. Les débits de référence sont eux même issus d'hypothèses. En effet, le débit réellement observé est à la confluence de l'Onde et du Gyr. L'estimation du débit du torrent de Narreyroux suppose l'hypothèse de proportionnalité entre surface drainée et débit associé. En outre, les débits de référence sont des débits moyen sur 5 ans et la période de calage n'est, elle, que de deux années.  Les variations liées à un hiver très enneigé ou non sont donc plus importantes.
L'évolution journalière des débits a donc été étudiée afin d'expliquer la faiblesse du débit de pointe observé.


Figure 3 - Résultat du calage des paramètres du modèle GR4J-Cemaneige. 

D'après les données d'enneigement fournies par Météo France, l'hiver 2010-2011 a été plutôt pauvre en neige. Ce qui expliquerait la faiblesse des débits simulés par le modèle CemaNeige pour cette année là. L'hiver suivant est, quant à lui, marqué par des des hauteurs de neige plus conséquentes. La fonte de la neige à la fin du printemps apporte donc une contribution plus importante à la lame d'eau ruisselée. En moyennant ces deux hivers, la tendance est donc à la sous-estimation des débits quinquennaux de référence. on peut remarquer également sur le graphique 3 que les orages ponctuels en été ont de fortes conséquences sur la valeur des débits.

Validation du modèle

Afin de vérifier le calage, une vérification est réalisée sur les années 2012-2013 et 2013-2014. Les résultats obtenus sont représentés sur la figure ci-dessous. 


Figure 4 -  Validation des paramètres du modèle GR4J-Cemaneige. Evolution mensuelle du débit sur le bassin de la combe de Narreyroux. Le débit tracé est la moyenne des débits des deux années  2013-2014.

La date du pic maximal est en avance d'un mois et l'erreur relative de son amplitude de 3.5%. L'avance peut être due à des températures plus hautes au printemps ou à une influence glaciaire mal modélisée. La validation est donc acceptable malgré l'erreur d'amplitude et l'avance du pic. Nous gardons ces valeurs de paramètres pour la suite des calculs. 

Les paramètres choisis sont :

Tableau 1 - Paramètres résultant du calage du modèle

Paramètres valeur valeurs associé à un intervalle de confiance de 80%
X1 : capacité du réservoir de production (mm) 403,4 100 : 1200
X2 : coefficient d'échanges souterrain (mm) 2.94 -5 : 31.9
X3 : capacité à un jour du réservoir de routage (mm) 121.5 20 : 300
X4 : temps de base de l'hydrogramme unitaire (jour) 7.89 1.1 : 2.9
X5le facteur degré-jour (mm/°C) 4 2 : 6
X6 le coefficient de pondération de l'état thermique du manteau (-) 0.3 0 : 1

Seul le paramètre X4 n'est pas situé dans l'intervalle de confiance calculé à partir des résultats obtenus sur un large échantillons de bassins versants (d'après le cours d'hydrologie approfondie de l'ENSEEIHT dispensé en 2014/2015).

De plus, la présence de glaciers sur la combe n'a pas été modélisée alors qu'ils peuvent être à l'origine de comportements hydrologiques particuliers. La fonte estivale est plus importante quand les glaciers sont présents sur le bassin.

Estimation du débit ruisselé sur le bassin de Puy-Saint-Vincent

L'hypothèse prônée pour la suite des calculs est l'analogie comportementale entre le bassin versant de Puy-Saint-Vincent et celui de Narreyroux. En supposant que leurs caractéristiques sont similaires, il est possible en reprenant les mêmes valeurs de paramètres, d'estimer le débit ruisselé sur le bassin versant de Puy-Saint-Vincent. Ces valeurs de débits vont ainsi permettre de savoir si l'utilisation des débits issus du bassin sont suffisants pour permettre un remplissage de la retenue d'altitude sans complication majeure.


Figure 5 - Évolution mensuelle du débit sur le bassin de Puy-Saint-Vincent. Le débit tracé est la moyenne quinquennale des débits de 2010-2014.

On remarque une nouvelle fois que les débits sont importants d'avril à juin (période de fonte des neiges). La fonte commence plus tôt que celle du bassin de Narreyroux.  Cette avance peut s'expliquer en partie par l'altitude moins importante du bassin de Puy-Saint-Vincent (point culminant à 2746m pour Puy-Saint-Vincent et 3245m pour la Combe de Narreyroux). Ce débit semble cependant anormalement élevé en janvier-février (période d'étiage hivernale). Contrairement au bassin versant de Narreyroux, le domaine skiable de Puy-Saint-Vincent n'est pas présent sur un bassin versant influencé par la fonte des glaciers où s'écoule un torrent permanent. Par conséquent la hausse de débit est moins importante (2.5 mm/jour sur le bassin de Puy-Saint-Vincent contre 6 mm/jour pour le bassin de la combe de Narreyroux). En outre, le débit est très variable. En effet, l'influence des épisodes orageux augmente artificiellement la moyenne de débit, de même que la mauvaise distinction pluie/débit.

Le remplissage de la retenue par interception des eaux de fonte n'est donc pas envisageable. La variabilité des débits, le transport solide et la réglementation concernant les débits d'étiage ne permettent pas de subvenir aux besoins en eau fixés dans l'hypothèse d'agrandissement.

Comparaison des modèles et conclusion sur le comportement hydrologique du bassin

Au vu de l'agrandissement de la station souhaité et des besoins supplémentaires en eau qui en résultent, il est aisé de constater que l'eau de la fonte sur le bassin versant de Puy-Saint-Vincent ne parviendra pas à satisfaire la demande. En effet, que ce soit dans la combe de Narreyroux ou sur le domaine skiable de Puy-Saint-Vincent, les débits sont insuffisants et surtout trop irréguliers selon les années. Pour une plus grande sécurité, il est donc nécessaire de pomper l'eau dans le fond de la vallée. Un pompage au niveau de la prise d'eau à la confluence entre le Gyr et l'Onde est ainsi envisagé (voir figure 1).


Figure 1 - Plan du site envisagé pour le pompage.
La forme ovale rouge indique le lieu de pompage pour l'alimentation de la retenue. (Source : Carte IGN)

Du point de vue de la modélisation, on constate que les deux modèles utilisés présentent des avantages mais aussi des inconvénients.

HEC-HMS nécessite de nombreuses données pour un calage optimal du fait de la quantité de paramètres à régler. Cependant, cela permet une grande flexibilité du logiciel. Dans notre cas, il nous a été toutefois impossible d'obtenir de bons résultats de débits à la fois sur les saisons estivale-automnale et hivernale-printanière.
La fonte de la neige est, quant à elle, bien modélisée par le module météorologique Snow Model. Nous utiliserons donc ce logiciel pour effectuer l'étude de l'impact du changement climatique sur la couverture neigeuse à Puy-Saint-Vincent. Une faiblesse de HEC-HMS est, malgré tout, son impossibilité à fournir des résultats suivant les tranches d'altitudes servant au calcul. En effet, seule la moyenne du SWE (équivalent en eau de la neige) est disponible.

Le module Cemaneige a, quant à lui, la particularité de s'appuyer sur un nombre de données limitées et disponibles facilement car il s'agit de données classiquement mesurées en météorologie. L'ordre de grandeur des débits obtenus est cohérent avec les valeurs de débits observées. Ce modèle ne permet cependant pas de prendre en compte la fonte glacière et d'ajuster des paramètres tels que la température de distinction pluie/neige.
En ce qui concerne les hauteurs de neige, elles sont modélisées mais ne permettent pas une bonne représentation des hauteurs réellement observées. Le modèle GR4J avec lequel il est associé, est un modèle conceptuel ne faisant pas appel aux équations physiques. Certaines interprétations ou résultats sont difficilement exploitables, ce modèle est pertinent, avant tout pour l'estimation des débits. Le calage réalisé a permis d'obtenir une bonne estimation des débits sur le bassin versant de Puy-saint-Vincent.

Le bilan hydrologique actuel étant réalisé, la suite du travail traite de l'influence du réchauffement climatique sur les hauteurs de neige, absolument nécessaires pour le bon fonctionnement de la station de ski.

Estimation des modifications causées par le changement climatique

L'enneigement, pourtant crucial pour le bon fonctionnement de la station est de plus en plus menacé par le réchauffement climatique. En effet, la distinction pluie-neige, comprise entre -3 et 3°C, est très sensible à la moindre variation de la température.
Afin d'assurer une meilleure gestion de l'eau dans la station pour les années à venir, une analyse de la hausse des températures et de la pluviométrie s'impose. Le logiciel HEC-HMS permettra de faire la simulation correspondante. La conséquence de ce réchauffement climatique sera particulièrement observée sur les hauteurs de neige. L'hypothèse concernant l'équipement en canons à neige (voir Enneigement artificiel et aménagement du domaine skiable) tiendra compte des résultats obtenus dans cette section.

La première étape consiste à définir une hausse de température et de précipitation. La littérature propose des chiffres très variables, associés à des incertitudes importantes. Afin d'obtenir une estimation de température et de pluviométrie plus précise et spécifique aux Alpes, le document Changement climatique et évolution de l'enneigement dans les Alpes de Météo France a été pris comme document de référence pour fixer les valeurs.

Plusieurs informations chiffrées apparaissent dans ce document. Les résultats présentés dans le tableau ci-dessous s'appuient sur plusieurs modèles. Le modèle ALADIN utilisé par Météo France et le modèle SCAMPEI (Scénarios Climatiques Adaptés aux zones de Montagne : Phénomènes extrêmes, Enneigement et Incertitudes) plus récemment développé par la collaboration de cinq laboratoires.

Tableau 1 - Synthèse des résultats de température et de pluviométrie pour différents modèles dans les Alpes. (Source : Changement climatique et évolution de l'enneigement dans les Alpes de Météo France) 

  Tannuelle Pannuelle Thivernal Phivernal Tété
Observation au Col de Porte (1325m) entre 1961 et 2010  +0.4°C/décennie -30mm/décennie      
Modèle de prévision Aladin pour les Alpes du Sud pour 2021-2050 avec scénario médian     +1.6/ à la moyenne de 1961-1990 +3mm/ à la moyenne de 1961-1990  
Modèle de prévision Aladin pour les Alpes du Sudpour 2021-2050 avec scénario GHG     +1.7/ à la moyenne de 1961-1990 précipitations peu variables  
Modèle de prévision SCAMPEI ​pour les Alpes du Sud pour 2021-2050 -1.75/ à la moyenne de 1961-1990
 
-17mm/ à la moyenne de 1961-1990   -15mm/ à la moyenne de 1961-1990 +2.2/ à la moyenne de 1961-1990

Au vu des résultats fournis par le tableau ci-dessous, les valeurs prises pour les simulations avec le logiciel HEC-HMS seront, si les références sont la moyenne de la pluviométrie et des températures en 2010 et 2015, :
- une température de +0.4°C à l'horizon 2025, et +0.9°C à l'horizon 2035
- une pluviométrie inchangée (résultats très variable) et une hausse de +30mm à l'horizon 2025 et +60mm à l'horizon 2035 afin d'analyser si l'augmentation de précipitation rattrape la perte de hauteur de neige associée.

La simulation avec la seule prise en compte de la hausse des températures est présentée sur la figure 1.

Figure 1 - Evolution du SWE avec une hausse des températures seule

De manière cohérente, on remarque que la hausse des températures va provoquer une diminution de la hauteur de neige d'environ 15cm/jour à l'horizon 2035 ainsi qu'une fonte totale avancée de six jours tous les 10ans. On note que l'enneigement est effectivement très sensible au changement puisqu'une hausse de la température de +0.4°C entraîne une baisse du SWE de l'ordre de 10% alors qu'une hausse de la température de +0.5°C entraîne une baisse du SWE de l'ordre de 15%.

Une simulation a été faite par Météo France (avec le logiciel SCAMPEI) au col de Porte (1325m) qui a montré, pour une hausse de 2°C, une perte de hauteur de neige d'environ 37.5cm. En convertissant les SWE trouvés avec HEC-HMS en hauteur de neige, on observe une diminution respectivement égale à 4cm et 11.7cm pour une augmentation de température de 0.4°C et 0.9°C. Les résultats trouvés paraissent donc cohérents puisqu'un facteur deux en température induit une multiplication par trois de la perte de neige. Il est cependant à noter que l'altitude moyenne de Puy-Saint-Vincent est supérieure à l'altitude du col de Porte.

Cette diminution peut être contrebalancée en partie par une hausse de la pluviométrie comme le montre le graphe ci-dessous.

Figure 3 - Evolution du SWE avec une hausse des températures et de la pluviométrie

On constate en effet qu'une hausse de 30mm de pluie permettrait de compenser en partie la hausse des températures que ce soit du point de vue du SWE mais aussi du point de vue de la date de fonte totale, avancée de seulement quatre jours au lieu de six tous les 10 ans.

​Ces résultats sont toutefois à relativiser car les incertitudes sont fortes quant aux modifications engendrées par le changement climatique, d'autant plus que l'étude se positionne à une échelle locale.

Il sera nécessaire d'augmenter le nombre de pistes enneigées afin de limiter l'influence du réchauffement climatique sur les périodes d'ouverture de la station.

Solutions envisagées pour le stockage de l'eau pendant l'hiver dans la station

Les retombées économiques liées au tourisme hivernal sont très importantes dans les communes situées à proximité du massif des Écrins telles que Puy-Saint-Vincent. Afin de lutter contre la concurrence des stations voisines et satisfaire les demandes de plus en plus exigeantes de la clientèle, les stations ne cessent de se développer et de se rendre attrayantes.

Le projet conduit ici consiste à vérifier si les besoins en eau qui résulteraient de l'agrandissement de la station, pourraient être satisfaits et optimisés dans leur gestion. Le développement de la station que nous avons imaginé s'articule autour de deux grands points. D'une part, un élargissement du domaine skiable est prévu avec la création de nouvelles pistes et l'augmentation, dans le même temps, de l'équipement en canons à neige (voir Hypothèse d'agrandissement du domaine skiable). D'autre part, la construction de nouveaux logements est envisagée (voir Hypothèse d'agrandissement du parc touristique) afin d'augmenter de façon significative la capacité d'accueil de la station.

Cet agrandissement entraîne une augmentation significative des besoins en eau. Afin de garantir aux skieurs des pistes enneigées, de nouveaux canons à neige vont être installés. La demande en eau supplémentaire pour les alimenter est estimée à 50 000 m3. En outre, l'augmentation de la capacité d'accueil de la station se traduit par un besoin supplémentaire en eau potable d'environ 100 000 m3. L'accroissement des besoins en eau est ainsi estimé à 150 000 m3.

Actuellement, des sources à proximité de la station sont exploitées afin d'alimenter le réseau en eau potable. Les trop pleins sont utilisés pour remplir la retenue d'altitude (ouvrage hydraulique ayant pour objectif de stocker l'eau) située sous le télésiège de la Pendine à 2150 m d'altitude. La retenue est remplie trois fois dans l'année et offre une capacité de stockage de 80 000 m3​ d'eau sur l'ensemble de la saison hivernale. La totalité de l'eau stockée est destinée à la production de neige de culture. En l'état, les dispositifs de stockage de l'eau, présents à ce jour dans la station, ne suffisent pas à subvenir à cet hausse des besoins en eau. D'autant plus que, pour la retenue existante, les droits d'eau sur les trop pleins d'eau potable vont être supprimés dès lors qu'une nouvelle solution de pompage de l'eau sera trouvée. La capacité de stockage et les ressources actuellement utilisées sont donc insuffisantes pour satisfaire au nouvel agrandissement.

                           

Figure 1 - Retenue actuelle de la Pendine sur le domaine skiable de Puy-Saint-Vincent (Source : Google Earth)

                     

Plusieurs scénarios vont ainsi être étudiés afin de rendre le projet de développement de la station réalisable d'un point de vue de la ressource en eau. Si, dans un premier temps, l'agrandissement de la retenue actuelle a été envisagé, ce scénario a vite été écarté. Les raisons sont exposées dans la section suivante.  Dans un second temps, la création d'une nouvelle retenue a été analysée. Les études préalables ainsi que sa conception et sa rupture sont traitées dans la suite du projet.

Impossibilité d'agrandissement de la retenue existante

Le domaine skiable de Puy-Saint-Vincent est actuellement équipé d'une retenue collinaire qui permet d'alimenter les canons à neige. Afin de satisfaire à la hausse significative des besoins en eau fixée dans l'hypothèse d'agrandissement, le premier scénario envisagé a été son extension. L'impossibilité de réaliser un tel agrandissement est cependant vite apparu, les raisons avancées sont exposées ci-contre.

D'un point de vue technique, l'agrandissement d'une retenue n'est jamais envisagée. En effet, lors des travaux d'extension, la géomembrane, couche très fragile assurant l'imperméabilité de la retenue, pourrait être endommagée, rendant ainsi l'ensemble de la zone de stockage de l'eau inutilisable à moins de travaux colossaux et coûteux. 

D'un point de vue sécuritaire, le stockage d'un tel volume d'eau peut être dangereux pour l'environnement à l'aval et nécessite donc un redimensionnement des infrastructures de protection conséquent et, une nouvelle fois, est onéreux. De nouvelles études d'impacts seraient également nécessaires au projet, notamment si la classe de la retenue change (l'ouvrage n'est alors plus soumis aux mêmes réglementations). De plus, la présence de deux ouvrages permettrait davantage de flexibilité. En effet, si une des deux retenues est indisponible, la station peut assurer l'enneigement des piste grâce à la seconde.

Dans le cas présenté ici, un troisième problème se pose quant à l'alimentation en eau de la retenue. En effet, si, pour l'instant, la retenue est en partie remplie par les trop-pleins d'eau potable de la station, ces droits d'eau vont à l'avenir être supprimés et par conséquent ne peuvent être considérés comme une source plus importante d'alimentation. Il est donc impossible, du point de vue de la disponibilité en eau, d'étendre la surface de la retenue sans l'ajout d'un nouvel ouvrage d'amenée d'eau (en provenance d'un autre lieu de pompage).

Cet agrandissement de la retenue existante étant inenvisageable, d'autres scénarios doivent être étudiés comme l'implantation d'une seconde retenue.

Conception de la nouvelle retenue

Le second scénario envisagé, pour stocker l'eau supplémentaire et satisfaire au projet d'agrandissement, est la construction d'une nouvelle retenue. La réglementation et les étapes de construction d'un tel ouvrage s'apparentent à celles suivies pour la conception des barrages. On se propose dans la section qui suit, d'une part, de présenter le choix du site d'implantation qui prend en compte les études topographique, géologique et des aléas spécifiques et d'autre part, de s'intéresser à la conception de la retenue en évoquant les éléments clés qui la constituent et le choix de matériaux lorsque les données en notre possession nous le permettent.

Généralement implantées à des altitudes élevées, les retenues d'altitude présentent des spécificités techniques qui leur sont propres en raison du contexte géologique et géotechnique, des variations météorologiques extrêmes et des aléas spécifiques aux zones montagnardes. De ce fait, malgré leur classement administratif dans les petits barrages, peu de manuels techniques existent pour leur dimensionnement et leur conception. Tout au long de notre étude, nous nous sommes donc référées aux retours d'expérience et à l'ouvrage Retenues d'altitude de L.Peyras, P.Mériaux, coord. qui recense les étapes de construction, afin de créer une retenue optimale.

Un soin tout particulier sera apporté au choix des matériaux de construction ainsi qu'au dimensionnement des ouvrages des protection contre les aléas montagnards (avalanches, glissements de terrain, chutes de blocs, laves torrentielles...) afin d'assurer la plus grande sécurité à l'aval.

En effet, des risques importants peuvent être engendrés à l'aval lors de l'implantation d'une retenue. Plusieurs raisons peuvent expliquer cette situation :
- leur position dominante sur la station
- les fortes pentes des versants pouvant générer les phénomènes torrentiels
- leur proximité entraînant un délai très court entre la rupture et l'arrivée au contact de zones touristiques.

C'est pourquoi, l'étude des conséquences de la rupture de la retenue est analysée en détail. La rupture fait l'objet, à part entière, d'une partie ultérieure. 

Etude préliminaire

La première phase d'un projet de retenue d'altitude consiste en la recherche de sites susceptibles d'accueillir l'ouvrage. 

Les premières zones envisagées pour l'implantation sont les sites de replat, qui permettent une construction plus aisée de l'ouvrage. Cette étude a été réalisée grâce aux cartes IGN du géoportail. Les zones retenues sont exposées sur l'image ci-dessous.



Figure 1 - Carte des différents sites envisageables pour l'implantation de la retenue. (source : Google Earth)

 

Une étude géologique du domaine doit être effectuée en parallèle afin de s'assurer que les sites envisagés ne présentent aucun risque rédhibitoire. Cette analyse est ensuite complétée par une étude spécifique concernant les aléas  montagnards caractéristiques. Ces deux études sont présentées dans la quatrième partie "Impacts environnementaux des aménagements dans un contexte montagnard".

A l'issue de ces études et d'une analyse plus approfondie des sites, les inconvénients majeurs de chacun des sites envisagés ont été mis en avant.
Le site 4 présente des pentes relativement importantes dès lors que l'on s'éloigne de la zone de replat. Cette configuration ne permet pas de concevoir une retenue de taille suffisamment importante pour satisfaire les besoins en eau nécessaires à l'agrandissement. De plus, il serait nécessaire de détruire des habitations pour son implantation. Cette zone, basse en altitude, ne facilite pas le refroidissement de l'eau, optimal pour le fonctionnement des canons à neige. En outre, au vu de la zone de pompage choisie pour alimenter la retenue, la construction du réseau risque d'être malaisée.
Le site 3, ancien lac artificiel, impose une destruction totale de la zone avant la création de la nouvelle retenue. Les pentes sont une nouvelle fois relativement élevées. De plus, la commune souhaite abandonner cette zone afin de permettre son retour à l'état naturel.
Le site 2 est situé sur le plateau d'Oréac qui est hors de la commune de Puy-Saint-Vincent, nécessitant ainsi la mise en place d'accords avec la commune voisine. La présence de barres rocheuses tout autour du plateau pourrait également rendre l'alimentation, depuis le site de pompage, délicate.
Le site 1, au pied du plateau, est proche des barres rocheuses d'où des risques de glissement de terrain, d'éboulement ou encore d'avalanches non négligeables. Une partie de la retenue serait de plus sur zone humide. Cependant, ce site présente les caractéristiques topographiques les plus optimales (avec des pentes inférieures à 3% sur une surface de plus de 24000m2).

Ce dernier site semble être le plus propice à la construction de la retenue. Il est toutefois à noter qu'une étude poussée des ouvrages de protection et des risques de rupture devra être effectuée. De plus, une étude des impacts environnementaux liés à cette construction est à réaliser et des mesures compensatoires à prévoir. D'amples d'informations sur l'étude de ces impacts sont disponibles dans la quatrième partie "Impacts environnementaux des aménagements dans un contexte montagnard".

 

Etude d'avant projet

Après avoir défini le site d'implantation de la retenue, sa conception et son dimensionnement doivent être réalisés. Pour ce faire, plusieurs étapes distinctes apparaissent :

- l'étude géotechnique pour le dimensionnement de l'ouvrage principal
- le choix du dispotitif d'étanchéité par géomembrane
- la conception du remblai, c'est-à-dire la détermination de sa hauteur et des pentes associées
- la conception des ouvrages associés tels que l'évacuateur de crue, le système de vidange, le système de drainage, le système de bullage...
- les dispositifs d'auscultation afin de détecter rapidement et précisément les fuites.

L'objectif est d'assurer la sécurité et la durabilité de l'ouvrage ainsi que ses possibilités d'exploitation en fonctionnement pour valider la demande initiale en eau fixée lors de l'hypothèse d'agrandissement.

 

Type de la retenue

Les retenues d'altitudes sont considérées comme des barrages puisqu'elles obéissent à la même législation. Parmi les différents types de barrages existants, les retenues d'altitude sont exclusivement des barrages en déblai-remblai. En effet, les sites d'implantation sont souvent des sites de replats naturels (pas de barrage de talwegs) difficiles d'accès (problématique lors de l'acheminement du béton) avec des fondations ne permettant pas la construction de barrages poids ou voûte.

Plusieurs types de barrage en remblai sont envisageables. Suivant la géologie et la nature des sols (la présence et la quantité de matériaux étanches et étanchéité du substratum), le remblai adopté peut être homogène, zoné ou avec une étanchéité artificielle amont.



Figure 1 - Types de remblais envisageables pour la retenue. De haut en bas : remblais zoné, homogène et avec étanchéité artificielle amont.

Une étude géologique et géotechnique du site, se divisant en deux phases, est nécessaire pour la détermination du type de retenue. La phase de reconnaissance de terrain vise à avoir un premier aperçu du site (observation visuelle de la surface, étude de la propagation des ondes sismiques et de la résistivité du sous-sol) et à récolter des échantillons analysés ensuite dans la phase d'essais en laboratoire. La deuxième phase, quant à elle, permet de définir la nature et les caractéristiques mécaniques et hydrauliques du sol (compressibilité et perméabilité) ainsi que sa réaction aux efforts de compactage et de cisaillement.
Cette étape primordiale est malheureusement irréalisable puisque nous n'avons pas la possibilité de nous rendre sur le site et d'effectuer une telle étude d'un point de vue temporel et budgétaire.

Au vu des conditions habituellement rencontrées en montagne (faible disponibilité en matériaux étanches, granulométrie et teneur en eau hétérogènes...), nous choisirons une retenue en remblai avec un dispositif d'étanchéité artificiel par géomembrane (DEG).

Pour la suite de l'étude, il est déterminant de connaître la classe de la retenue c'est-à-dire un regroupement de barrages suivant leurs caractéristiques principales (hauteur de l'ouvrage et volume de la retenue). Selon le décret du 11 décembre 2007, les classes des barrages de retenue sont les suivantes :

Tableau 1 - Classe de barrage de retenue (source : Retenues d'altitude de L.Peyras, P.Mériaux et coord Editions Quae, 2009)

Au vu du volume stocké souhaité de 150 000m3 sur la période hivernale et sachant que des remplissages successifs sont possibles, notre choix s'est porté sur une retenue pouvant contenir 75 000m3 environ avec une hauteur d'ouvrage de l'ordre de 5m puisque la surface au sol disponible est de 20 000m3. Ainsi la nouvelle retenue serait un ouvrage de classe C. Il ne faut toutefois pas omettre les enjeux à l'aval lors de l'étude.

Dimensionnement de la retenue

Dans cette partie, le dimensionnement du corps principal de la retenue va être traité. Il présentera les différents choix nécessaires à la construction d'une retenue, des fondations au remblai en passant par le dispositif d'étanchéité et le système de bullage.

 

Fondations

La réalisation de l'ouvrage s'initie par la préparation des fondations. L'objectif est de creuser une cuvette dans le but d'augmenter le volume de stockage et de se procurer des matériaux pour la constitution du remblai. Cette étape est importante puisque doit faciliter la pose de la géomembrane en enlevant les principales aspérités pouvant l'endommager.
En tenant compte des pentes de la retenue (forme trapézoïdale avec base la plus petite en bas) et au vue de la topographie du site, les dimensions de la retenue seront 185m x 100m x 5m pour atteindre un volume de 75 000m3. D'après nos calculs, afin d'atteindre le volume de matériaux suffisant pour la construction des remblais, il faut creuser une cuvette d'au moins 3,5m de profondeur. 

 

Dispositif d'étanchéité par géomembrane

Vient ensuite le DEG (Dispositif d'Etanchéité par Géomembrane). Ce dernier n'est pas seulement constitué de la géomembrane. Il inclue également toute la structure de support ainsi que la couche protectrice comme le montre les figures ci-dessous.

Figure 1 - Exemple de DEG avec une structure support adaptée à des matériaux de fond de forme agressifs et des matériaux de remblai semi-perméables (source : Retenues d'altitude de L.Peyras, P.Mériaux et coord. Editions Quae, 2009)

Tableau 1 - Table récapitulative des structures possibles du DEG

 Structure Objectifs Constitution
Structure support

apporter une résistance mécanique afin d'assurer une portance suffisante à la circulation des engins et la stabilité de la géomembrane sur les talus en présence de vagues

prévenir le poinçonnement de la géomembrane

​assurer drainage et filtration pour limiter le déplacement des fines qui peuvent conduire au contact entre géomembrane et supports agressifs

S1 : couche de forme granulaire pour éviter le poinçonnement

S2 : géotextile filtrant

S3 ou S4 : couche drainante ou géocomposite de drainage

S5 : géocomposite antipoinçonnant

Structure d'étanchéité assurer l'étanchéité de la retenue G : géomembrane
Structure de recouvrement

protéger la géomembrane

résister à l'action de la glace et des vagues

R1 : géotextile antipoinçonnant

R2 : couche intermédiaire de sables et graviers

R3 : couche d'enrochement

 

 

  • Choix des matériaux

Au vu de nos connaissances limitées du terrain (étanchéité et granulométrie des matériaux), nous choisirons une structure du DEG en trois couches comme présentée ci-dessus afin de prévenir tout risque de poinçonnement et de fuite. Pour ce qui est de la géomembrane, une attention particulière sera apportée à son matériaux constituant. En effet, les propriétés, et donc les résistances, sont variables suivant celui choisi comme le montre le tableau ci-dessous.

Tableau 2 - Caractéristiques des géomembranes suivant leurs matériaux (Source : GETECH)

Type de géomembrane épaisseur (mm) format (m) densité (g/m3) soudure déformabilité souplesse faible dilatation thermique résistance chimique et aux UV facilité de pose Commentaires

géomembrane polypropylène 

(PP-F)

e=1-1.5 f=5-6 d=900

thermosoudure 

soudure double canal

oui oui non x peu de retour d'expérience

géomembrane polyéthylène

 (PEHD)

e=1.5-2 f=5-9.4 d=950 soudure double canal non non oui oui bon rapport qualité/prix
Géomembrane (PVC-P)

e=1-1.5 f=2 d=1200

thermosoudure

simple soudure

soudure double canal

oui oui fonction de la formulation chimique oui possibilité de fabrication en grande dimension mais soudure fragile
 Géomembrane (EPDM) e=1.1-1.5 f=3-15 d=1250 vulcanisation à froid oui x non oui possibilité de fabrication en grande dimension mais soudure fragile et impossibilité de contrôle de soudure
Géomembrane bitumineuse e=3-4 f=2-4 d=4000 soudure à la flamme x oui oui non soudure simple à réparer et réaliser, résistance au poinçonnement, prix et poids élevés

Une géomembrane en PVC, va être choisie pour équiper la retenue au vu de ses qualités présentées dans le tableau précédent. Une attention particulière sera apportée aux soudures.

La géomembrane pouvant subir des dégradations, essentiellement des déchirures, il peut être utile de la recouvrir par une structure de protection. Ces endommagements peuvent résulter de plusieurs phénomènes :
- naturels tels que la glace, l'exposition aux vents et aux UV
​- humain tel que le vandalisme.

De plus, l'enrochement constituant la structure de recouvrement peut permettre d'assurer une meilleure sécurité des personnes : en cas de chute dans la retenue, il est possible d'en sortir.
Cependant, la surveillance visuelle n'est alors plus réalisable et sa mise en place est délicate donc coûteuse en temps et entraîne également un surcoût conséquent.

Au vu de l'altitude de l'implantation de la retenue, les effets de la glace risquent d'être importants. L'installation d'une telle structure nous paraît donc judicieuse dans notre cas.

Nous choisirons la structure la plus classique exposée sur la figure 1. Une attention particulière sera portée à la stabilité c'est-à-dire au non-glissement de la structure sur la géomembrane du fait de son poids et des contributions extérieures (se référer à la norme Afnor XP G38-067 Juillet 2010).

  • Conséquences du DEG pour le dimensionnement

L'utilisation d'une géomembrane implique un certain nombre d'aménagements sur la retenue.

Un respect de pentes limites est par exemple nécessaire pour assurer la stabilité de l'ouvrage. En effet, la géomembrane est constituée de lés de 2.5m à 10m de large et des pentes trop importantes pourraient gêner la réalisation correcte de leur soudure.

Les pentes maximales, pour des hauteurs de retenue comprises entre 5 et 10m avec une géomembrane recouverte, est de 1/3 pour le talus amont et 1/2 pour le talus aval.

Tableau 3 - Valeurs indicatives des pentes maximales des talus d'un barrage en terre et en matériaux grossiers sur fondation non compressible (Source : Retenues d'altitude de L.Peyras, P.Mériaux et coord. Editions Quae, 2009)

Afin de permettre une vidange complète et un drainage efficace, les pentes au fond doivent être supérieures à 2%.

Un ancrage de la géomembrane peut également être nécessaire pour éviter son glissement d'où une largeur de crête de remblai de 4m minimum. Cette largeur comprend également un espace pour la circulation des engins de travaux (qui ne doivent pas rouler sur la géomembrane sous peine de l'endommager).

 

Remblai

Les deux étapes importantes dans le dimensionnement du remblai sont le calcul de sa hauteur et le choix du dispositif de drainage.

  • Calcul de la hauteur du remblai

Pour calculer les hauteurs de remblai, il est nécessaire de connaître les hauteurs de vagues générées par les vents. C'est donc la première étape de ce dimensionnement.

Deux situations de projet fondées sur la vitesse du vent sont envisageables. D'une part, il est possible de considérer un vent de période de retour de 50 ans à la côte des plus hautes eaux ou un vent de période de retour 1 000 ans à la côte normale d'exploitation.

Figure  2 - Section du barrage au droit de l'évacuateur et revanche sur les plus hautes eaux (PHE) destinés à la protection contre les vagues dues au vent (source : Retenues d'altitude de L.Peyras, P.Mériaux et coord. Editions Quae, 2009)

Au vu des données (trouvées sur le site de Linternaute.com d'après des données Météo France), la moyenne des vents maximum entre 1999 et 2014 est de 86km/h et la plus forte vitesse de vent mesurée est de 108km/h. N'ayant cependant pas plus de 15 ans de données (loi normale et loi de Gumbel) sur les vents, une extrapolation utilisant des lois statistiques pour les événements extrêmes afin de connaître la vitesse des vents de temps de retour de 1 000 ans ne nous paraît pas pertinent, les incertitudes associées au choix du modèle étant trop élevées. Nous nous contenterons d'extrapoler les vitesses de vent de période de retour 50 ans pour ensuite estimer, grâce à un coefficient multiplicateur empirique, les vitesses de vent de période de retour 1 000 ans.

Figure 3 - Extrapolation des vitesses de vents maximales

En extrapolant les vitesses de vent grâce à la loi normale, une des loi représentative des événements extrêmes, (voir figure 3), on trouve une vitesse de vent de temps de retour 50 ans (soit $f=1-1/T_R=0.98$) égale à 112 km/h. Les données étant peu précises, une marge d'erreur est choisie au risque d'un surdimensionnement, donnant ainsi une vitesse de vent de période de retour 50 ans de 115km/h.

Ne connaissant pas la côte des plus hautes eaux et sachant que des travaux (Cetmef, 2001) ont estimés que $V_{vent 1000 ans}=1.2 * V_{vent 50 ans} $, la hauteur de projet pour les vagues est fixée à 0.65m et la revanche est de 0.55m (interpolation des tableaux ci-dessous) d'où une hauteur de remblai totale de 1.20m au-dessus de la côte normale d'exploitation de l'eau dans la retenue.

Tableau 4 - Hauteur de projet des vagues (en m) en fonction de la vitesse du vent au sol (U), de la longueur du fetch de la retenue (ou longueur maximale F) et de sa profondeur maximale (D) (source : Retenues d'altitude de L.Peyras, P.Mériaux et coord. Editions Quae, 2009)

Tableau 5 - Revanche nécessaire (en m) vis-à-vis du vent pour un parement amont rugueux de pente 1/3 (source : Retenues d'altitude de L.Peyras, P.Mériaux et coord. Editions Quae, 2009)

Le dimensionnement de l'épaisseur et du diamètre moyen des enrochements de la structure de recouvrement est alors possible et vaut respectivement 0.43m et 0.27m.

  • Drainage du remblai

Le système de drainage permet de remplir deux fonctions : assurer la stabilité de l'ouvrage dans son entier (DEG et remblai) et évaluer les fuites résultant de l'endommagement de la membrane.

Le remblai le plus classique étant semi-perméable, deux systèmes de drainage sont envisageables. La premier est un dispositif de drainage qui est commun au remblai et au DEG. Il est constitué d'un drain granulaire placé sous la géomembrane et raccordé à l'aval par un réseau de collecteurs afin de récupérer les fuites. Le second mécanisme fait intervenir deux systèmes de drainage distincts pour le remblai et le DEG, composé respectivement d'un drain granulaire vertical et d'un drain géosynthétique pour la DEG. Chacun des drains est relié à un réseau de collecteurs.

Pour le second dispositif, il est possible de dimensionner l'épaisseur du drain vertical à l'aide du tableau suivant.

Tableau 5 - Epaisseur minimale du drain de la cheminée en sable avec H la hauteur du remblai (en m) et V le volume d'eau (en hm3) (Source : CFBR, 2002)

Le calcul donne $H^2 \sqrt V=6.8$, ce qui correspond à une épaisseur minimale de drain de 0.5m. Ce paramètre est considéré comme un indicateur du potentiel de risque à l'aval.

Un drain en zig-zag est également possible, son épaisseur en est alors réduite.

Figure 4 - Différents drains possibles pour le remblai (Source : CFBR, 2002)

Les drains doivent être enrobés d'une couche de matériaux poreux bien compactée, entourée d'un géotextile.

Afin d'assurer un suivi des fuites et de faciliter la maintenance, le système de drainage est compartimenté. Il est alors possible de déterminer si la fuite est issue des remblais, des déblais ou de la cuvette.

Si une nappe phréatique est présente à proximité de l'ouvrage, un dispositif de drainage supplémentaire est à prévoir afin de permettre le rabattement de la nappe.

Outre ces dispositifs, il est également nécessaire de drainer les eaux naturelles issues des versants de la montagne ainsi que celles des déblais afin d'assurer leur stabilité. Des éperons ou des masques drainants sont utilisées suivant l'intensité des venues d'eau. Ces éléments sont en matériaux granulaires auxquels est associé un filtre géotextile.

Pour protéger la structure, il est à noter que des éléments grossiers doivent recouvrir la crête du fait de sa forte exposition aux sollicitations extérieures. Le talus aval fait aussi l'objet d'une protection vis-à-vis du gel et de l'érosion par le ruissellement. Une couche drainante associée à une couverture végétale enherbée ou encore un enrochement doivent être mis en place pour assurer la tenue du talus.

  • Système de bullage

Le système de bullage est la dernière couche de la retenue. Il s'agit d'un système propre aux retenues. Il permet à la fois de limiter la prise en glace des eaux de surface de la retenue et de refroidir l'eau contenue dans la retenue par un brassage par injection d'air sous forme de bulle. Le système de bullage fonctionne dès que la température extérieure est inférieure à 4°C.  En effet, l'eau à la particularité d'être la plus dense pour une température de 4°C, ainsi la couche de surface portée à 4°C va plonger au fond du lac d'où son mélange. Par échanges thermique entre l'eau et l'air du système de bullage, l'eau va être refroidie afin d'atteindre une température inférieure à 2°C, température optimale pour la création de neige de culture. Les couronnes de bullage (c'est-à-dire le réseau de tuyaux transportant l'air tout autour de la retenue comme le montre la figure 5) sont indépendantes ce qui permet une meilleure gestion du système.

Figure 5 - Système de bullage (source : Radio Val d'Isère)

Il est constitué de plusieurs éléments :
- un compresseur d'air d'une pression de 5 bars et d'un débit d'air minimum de N=3750 m3/h dans le cas de la retenue envisagée ($N=0.05 V$ où V le volume d'eau de la retenue)
- un réseau de tuyaux en PEHD, contenant de l'air sous une pression de 10 bars, posé au fond de la cuvette (les réseaux d'eau sont habituellement espacés d'une distance de 6 m environ). Ce réseau est maintenu au fond de la cuvette grâce à des lests. Une distance de 10 cm entre le fond et les couronnes est requise afin de limiter le soulèvement des fines déposées au fond de la retenue
- des gicleurs, disposés sur les tuyaux, avec un espacement de 2 m permettent d'assurer la refroidissement escompté.

Stabilité et dispositif d'auscultation

Afin de garantir, la durabilité de l'ouvrage, une étude de sa stabilité doit être effectuée et un dispositif d'auscultation mis en place pour connaître ses dégradations au cours du temps.

Justification de la stabilité de l'ouvrage

Lors de la conception de l'ouvrage, il est impératif de fournir des justifications pour la stabilité des retenues disposant d'un dispositif d'étanchéité par géomembrane. L'approche utilisée considère les états-limites. Pour calculer ces derniers, plusieurs situations caractéristiques appelées situations de calcul sont étudiées. Les paramètres géotechniques nécessaires au calcul sont fixés à partir de valeurs caractéristiques. Ces valeurs sont soigneusement déterminées par des géotechniciens. Une marge de sécurité est ajoutée.

Plusieurs situations de calcul sont envisagées :
- la situation durable d'exploitation : il s'agit de la situation normale d'exploitation. Elle fournit une justification de la stabilité à long terme.
- les situations transitoires : il s'agit de situations courtes ayant une probabilité d'occurrence importante. Des justifications de la stabilité à court terme peuvent découler de cette analyse. Quatre situations transitoires majeures sont classiquement abordées, qui sont les situations en fin de construction, en crue,  lors d'une vidange et lors de l'élaboration de la structure de recouvrement de la géomembrane.
- les situations accidentelles : il s'agit de situations brèves ayant une probabilité d'occurrence faible. On peut citer les aléas sismiques, la défaillance d'un constituant de l'ouvrage ou les aléas susceptibles de créer une vague dans la retenue (avalanche, chute de blocs...).
- les situations de défaillance du DEG (raccordement défectueux, poinçonnement, déchirure) et du dispositif de drainage.

Les états-limites, déterminés pour les situations énoncées ci-dessus, sont les suivants :
- état-limite ultime de glissement pour le remblai, le déblai et la fondation : les méthodes de calcul propres aux ruptures circulaires sont appliquées.
- état-limite ultime de stabilité du versant et du site : les méthodes de calcul permettant d'étudier la stabilité des pentes en rupture sont classiquement utilisées. Cet état-limite permet de considérer la stabilité aux grands glissements.
- état-limite de glissement du DEG et de la couche de protection : la norme Afnor Géosynthétiques - Géotextiles et produits apparentés - Stabilisation d'une couche de sol mince sur pente - Justification du dimensionnement et éléments de conception expose les méthodes de calcul à appliquer.
- état limite de rupture par érosion : les conditions de filtrage et de percolation doivent être vérifiées.
- état-limite de déformation : puisque les fondations des retenues d'altitude sont généralement peu compressibles, cette étude est souvent réduite à la vérification de l'absence de déformations.

Pour les lecteurs désireux d'explications plus détaillées sur ces justifications d'états-limites, de plus amples informations sont disponibles dans l'ouvrage Retenues d'altitude de L.Peyras, P.Mériaux, coord.

 

Dispositif d'auscultation

La surveillance du comportement de la retenue à long terme s'effectue grâce à un dispositif d'auscultation. Ce dernier mesure le comportement mécanique mais également le comportement hydraulique, essentiels pour connaître les défauts d'étanchéité.

Dans notre cas (retenue de classe C avec enjeux à l'aval sans difficulté particulière), le dispositif minimal est :
- une sonde de pression et une échelle limnimétrique pour connaître la cote du plan d'eau
- des dispositifs compartimentés de drainage des débits dans le corps du barrage, la cuvette et le déblai avec mesures télétransmises des débits à l'aval des compartiments
- une mesure de la topographie (planimétrie et nivellement) pendant les cinq premières années d'exploitation

Il est possible d'améliorer la mesure des débits de percolation, principale données permettant la détection des fuites, actuellement contenu dans les débits de drainage, grâce à des méthodes en cours de développement qui sont :
- la mesure par méthodes électriques sous la géomembrane
- la mesure par fibre optique

Cette dernière méthode s'appuie sur la capacité de la fibre optique à transmettre l'information sans perte de données. Un chauffage du câble permet de détecter une différence de température lors d'une fuite (si la différence est supérieure à 0.1°C) et ainsi de la localiser (avec une précision de l'ordre de la dizaine de centimètres sur plusieurs kilomètres).

Dimensionnement des ouvrages associés à la retenue

Plusieurs ouvrages sont associés à la retenue afin d'assurer sa sécurité. L'évacuateur de crue, le système de vidange ainsi que la protection contre les avalanches sont essentiels pour l'ouvrage qui est conçu à Puy-Saint-Vincent.

Evacuateur de crues

Le rôle principal de cet ouvrage est de permettre l'évacuation, en toute sécurité, des eaux excédentaires susceptibles d'atteindre la retenue. Sa construction est obligatoire et il doit comporter trois élément distincts : un seuil d'entonnement, un coursier (pour l'accompagnement de l'eau collectée dans la pente) et un canal de restitution effectuant le lien entre le coursier et le milieu extérieur.

Puisque la retenue que nous concevons n'est pas située à proximité d'un cours d'eau important et que le pompage nécessaire à son alimentation est au fond de la vallée, l'évacuateur le plus classique peut être envisagé. Il s'agit d'un évacuateur à seuil libre dont la cote du seuil est fixée à la cote de retenue normale d'exploitation. Il serait donc nécessaire de laisser une ouverture de 1.20m dans le remblai.

Le dimensionnement de la largeur de l'évacuateur de crue doit se baser sur la crue de projet. Il est nécessaire que la cote de la retenue en cas de crue de projet reste inférieure à la cote des plus hautes eaux. La période de retour de la crue est déterminée à partir de la classe de l'ouvrage. Dans le cas présent, une crue de temps de retour de 5000 ans devra être considérée.

 

Ouvrages de vidange

Par soucis de sécurité, il est impératif de doter la retenue d'un organe de vidange afin de pouvoir abaisser la hauteur d'eau de la retenue rapidement. Le dimensionnement du système de vidange doit permettre de diminuer de moitié la charge en moins de 8 jours, soit un tiers de la hauteur d'eau du fait de la forme évasée à la surface de la retenue, et de vider complètement la retenue en moins de 21 jours.

Afin de respecter les conditions énoncées ci-dessus, sachant que le tiers de la hauteur d'eau correspond à un volume de 30 500m3, le débit minimal à considérer est de 0.044m3/s. Pour plus d'efficacité, nous choisirons un débit de 0.07m3/s.  En supposant que la conduite de vidange est circulaire, immergée en amont et dénoyée en aval, la formule suivante est applicable pour trouver le diamètre : $ d= 2 \sqrt {Q \over { \pi C \sqrt{2gH}}} $
où C un coefficient valant 0.4
H la hauteur d'eau totale (en m) (en considérant que les pertes de charges sont nulles donc que la charge est égale à la hauteur d'eau)
et Q le débit de vidange (en m3/s)

On trouve ainsi un diamètre de 15cm.

La conception du vannage associé à la conduite de vidange dépend de la classe de la retenue. Pour un ouvrage de classe C avec des enjeux à l'aval, il faut prévoir deux vannes, une vanne de garde amont et une vanne de service aval. Le système de bullage précédemment décrit permet de limiter l'effet de la glace sur la manipulation des vannes. Des ouvrages de dissipation d'énergie sont à prévoir pour la restitution de la vidange afin de limiter les risques de glissement.

 

Système de protection contre aléas naturels gravitaires

Des aléas spécifiques aux zones de montagne peuvent affecter la retenue, il s'agit avant tout des avalanches et des phénomènes torrentiels.

Les avalanches se produisent lorsque la pente est importante (supérieure à 30°) et dépendent de l'histoire du manteau neigeux. Des chutes de neige abondantes récentes ou un réchauffement peuvent conduire à son occurrence. Les formes de décrochement (ponctuel, suivant une ligne...) et la dynamique peuvent être très variables suivant les propriétés du manteau neigeux mis en jeu. Elles sont classiquement réparties en deux types : avalanche coulante ou avec aérosols. Mais en réalité, la plupart des avalanches observées sont mixtes et possèdent à la fois une phase dense et une phase d'aérosols.

Les phénomènes torrentiels sont la conséquence d'un apport d'eau important. Orages, fonte des neiges ou rupture de barrages naturels ou anthropiques peuvent en être à l'origine. Deux catégories d'écoulement avec transport solide peuvent être distinguées, le charriage (le transport sédimentaire est similaire à celui en rivière) et les laves torrentielles (rencontrées sur fortes pentes et propres aux torrents). Ces phénomènes peuvent présenter un risque dès qu'un débordement survient.

Afin de limiter les risques, les zones d'implantation des retenues d'altitude ne doivent pas être soumises à des probabilités d'occurrence des phénomènes gravitaires supérieures à 10-3 lorsque les enjeux à l'aval sont conséquents. Il est cependant possible de considérer des zones susceptibles d'être plus impactées (sans toutefois dépasser 10-2), mais il est alors indispensable de prévoir la réalisation d'ouvrages de protection spécifiques contre les aléas gravitaires.

Plusieurs types de protection peuvent être mis en oeuvre :

- une protection active afin d'empêcher que le phénomène puisse se produire, mais elle ne permet pas, à elle seule, d'assurer une protection efficace et suffisante et doit être associée à un dispositif passif.

Tableau 1 - Dispositifs disponibles de protection active

  Avalanches Phénomènes torrentiels
Objectifs ancrage du manteau neigeux limiter les phénomènes de ruissellement et d'érosion
Ouvrages

filets

claies

rateliers

ouvrages modifiant la dépose de la neige dans les zones non souhaitées

revégétalisation (forêt)

revégétalisation des bassins versants

travaux de correction torrentiels effectués dans les ravines et lit de torrents (ex : barrages en cascade)

 

- une protection passive afin de protéger la retenue contre des phénomènes effectivement produits. Il s'agit de la technique de protection réellement considérée comme efficace quelque soit les conditions rencontrées. Elle doit donc faire l'objet d'une étude de risque résiduelle afin d'être validée.

Tableau 2 - Dispositifs disponibles de protection passive

  Avalanches Phénomènes torrentiels
Objectifs dévier ou arrêter l'écoulement

retenir ou dévier les sédiments de la crue torrentielle

dévier l'écoulement

limiter l'affouillement

Ouvrages

remblai en terre ou en béton

tas pour freiner ou diviser l'écoulement

digues (permettant le stockage du volume de neige)

digues  ou double digues en remblai et béton dans la phase terminale

plages de dépôts

présence de seuils contre l'affouillement

- des mesures de protection temporaires qui imposent une gestion particulière en cas de  situations de risque imminent. Elles peuvent être passives (pas d'action directe sur le phénomène mais limitation du risque par vidange rapide de la retenue) ou actives dès lors que le phénomène est artificiellement déclenché pour une plus grande sécurité.

 

Dans notre cas d'étude, la retenue est située à l'aplomb d'une barre rocheuse de 100m de haut et d'une pente moyenne de 65%. Les risques d'avalanches sont donc avérés et un dispositif de protection passif s'impose. Un dispositif de paravalanche de type digue déflectrice est envisagé pour protéger le site et dévier l'écoulement de neige en dehors du site d'implantation de la retenue. Au vu des données disponibles, nous obtons pour le dimensionnement traditionnel du paravalanche (méthode de Salm).

L'ouvrage de dimensionnement des paravalanches The Design of avalanche protection dams de la Commission européenne expose la démarche traditionnelle à suivre pour réaliser de tels ouvrages. La hauteur du paravalanche, notée HD est définie comme : $$ H_D=h_u+h_f+h_s$$ où hu est la hauteur résultant de la vitesse de l'avalanche, hf l'épaisseur du coeur dense de l'avalanche et hs l'épaisseur de neige présente au niveau du paravalanche avant l'avalanche.


Figure 1 - Schéma représentatif des notations de hauteurs nécessaires pour le dimensionnement (source : The Design of avalanche protection dams de la Commission européenne, 2009)

  • Détermination des trois hauteurs :

L'avalanche considérée pour dimensionner l'ouvrage de protection entraîne la mise en place de plusieurs hypothèses. Nous choisissons une avalanche de fonte car la quantité de neige mise en jeu est la plus importante (toute la hauteur de neige du manteau est concernée).
Une avalanche se déclenche sur des pentes supérieures à 30°. Les barres rocheuses à l'aplomb de la retenue peuvent atteindre localement 34°, le risque d'avalanche est donc avéré mais les pentes restent relativement faibles, il s'agit donc essentiellement d'avalanches coulantes. Leur vitesse moyenne est de 60 km/h et leur épaisseur de front comprise entre 1 et 20 m (données Irstea). La variation de vitesse peut cependant être très importante. Nous avons donc analysé des retours concernant des avalanches pour des pentes similaires dont celui de l'avalanche de 2012 à la Lauzière, Saint-François-Longchamp (73). Au vu de la littérature, la valeur de 45 km/h sera appliquée car un replat est présent entre la retenue est les fortes pentes et l'épaisseur du front sera prise égale à 2 m.

L'épaisseur de neige avant l'avalanche hs va être estimée à partir des données d'enneigement fournies par Météo France à Puy-Saint-Vincent (1380m). Nous choisissons de considérer la valeur maximale d'enneigement des cinq dernières années pour l'évaluation de hs. Une hauteur de neige sera ajoutée à la valeur trouvée afin de prendre en compte la différence d'altitude entre le site de la retenue (1850m) et le point de relevé des hauteurs de neige (1380m). La hauteur maximale de neige observée à 1380 m est 140 cm, soit après application d'un coefficient de 25%, une hauteur hs de 175 cm à 1860 m.

La hauteur résultant de la vitesse de l'avalanche hu est définie comme $h_u={u² \over  {2g \lambda}}$ où les paramètres u et $\lambda$ sont respectivement la vitesse de l'avalanche et un paramètre empirique permettant de prendre en compte la perte de quantité de mouvement lorsque l'avalanche heurte le paravalanche. La vitesse de l'avalanche est posée égale à 45km/h (soit 12.5 m/s) et $\lambda$ à 2. La variation de ce dernier est comprise essentiellement entre 1 et 2, ou plus parfois, suivant la taille de l'ouvrage de protection considéré. Le paravalanche construit étant de taille moyenne, une valeur de 2 sera appliquée.
On obtient donc après calcul hu=4m.
On peut cependant noter que la variation de la vitesse de l'avalanche considérée influence de manière significative la valeur de la hauteur. Pour 60 km/h, hu vaut 9.8m (augmentation de plus de 50% de la hauteur pour une augmentation de vitesse de 15 km/h).

L'épaisseur du coeur dense de l'avalanche hf correspond à la hauteur de l'avalanche à laquelle  a été ôtée la phase en suspension (aérosol).
L'avalanche est considérée comme coulante, sa hauteur de neige est donc équivalente à l'épaisseur du coeur dense. Au vu de l'avalanche considérée, on estime donc ici hf à 2 m.

La hauteur totale de l'ouvrage est HD=1.75+2+4=7.75m. Sa hauteur peut être rabaissée si des ouvrages de soutien du manteau neigeux (filet Vela par exemple) sont installés dans les zones raides afin de limiter la reptation de la neige. La solution adoptée dépendra du coût de construction de tels aménagements. La longueur de l'ouvrage idéal est d'environ 175m et sa géométrie comme représentée sur la figure suivante :


Figure 2 - Schéma récapitulatif de l'aménagement. Le polygone vert représente la retenue et le polygone bleu la digue déflectrice. La zone en rouge est la zone comportant localement des pentes supérieures à 30° susceptibles d'être affectées par des avalanches. (source : Google Earth)

 

 

Etude en cas de rupture de la nouvelle retenue

Connaissant les enjeux importants à l'aval de la retenue et au vu du risque d'avalanches et d'éboulements du site choisi, outre les dispositifs de protection mis en place, une étude de l'onde de submersion va être effectuée dans l'hypothèse de la rupture de la retenue.

Sachant que les caractéristiques de l'écoulement dû au lâcher d'eau brutal sont fonction de la topographie et de la pente, dans notre cas (n'étant pas dans une gorge), l'étalement sera libre et a priori divergent d'où un impact d'autant plus fort sur le bassin versant.

Dans ce type de simulation, l'étude du transport solide (des particules provenant des sols selon leur nature et des matériaux constituant le remblai) est essentielle. En effet, la formation de laves torrentielles est possible. Malgré la méconnaissance actuelle des causes d'apparition de ce phénomène, il est admis qu'il résulte nécessairement d'un largage brutal d'un volume d'eau très important (supérieur à quelques milliers de m3) dans une zone de fortes pentes (supérieures à 25-30%) où la quantité de matériau érodable est forte. 

De plus, les particules solides en suspension, tendant à se déposer, comblent toutes les zones creuses ou plus plates qui auraient potentiellement pu retenir une partie de l'écoulement, modifiant ainsi la morphologie de la zone submergée.

Le volume d'eau  peut être augmenté de 10 à 20% du fait du transport solide.

 

Deux modes de rupture existent :

- la formation et le développement d'un renard hydraulique (écoulement préférentiel se développant au sein du remblai ou sous les fondations de l'ouvrage et entraînant le transport, petit à petit, des particules à l'extérieur, créant ainsi un vide pouvant se traduire par une rupture totale de l'ouvrage)
- la surverse de la crête (ex : problème lors de l'arrêt des pompes après obtention du niveau d'eau maximal).
Si la rupture d'une retenue en remblai ne conduit généralement pas à l'effacement total du remblai, la totalité du volume d'eau est par contre libérée.

Le mode de rupture le plus courant est progressif. Pour être en mesure d'évaluer les positions possibles des brèches conduisant à la rupture, des données géologiques et géotechniques sont indispensables.

Cependant, pour des questions de facilité de modélisation, nous simulerons, pour notre part, un lâcher instantané de la totalité du volume d'eau de la retenue sans tenir compte du transport sédimentaire possible. Le logiciel utilisé est TELEMAC 2D afin d'obtenir une représentation bidimensionnelle des écoulements et ainsi connaître la localisation des zones inondées ainsi qu'une estimation de la hauteur d'eau.

Afin de générer un maillage avec BlueKenue, un contour de la zone possiblement inondée (contenant la retenue) a été préalablement défini à partir de Google Earth (voir figure 1). Les données topographiques du périmètre tracé, extraites de la base de données satellites OESDIS (Earth Observing System Data and Information System) de la NASA, ont ensuite été importées. Le maillage a été raffiné sous la retenue pour une plus grande précision du calcul (mailles triangulaires de 20m de côté).

Pour la modélisation, une hauteur d'eau moyenne de 5m a été fixée sur une superficie de 15 000m2 d'où un volume d'eau lâché de 75 000m3.
La loi de frottement utilisée est la loi de Strickler avec un coefficient de Strickler égal à 30 correspondant à une zone terreuse avec un végétation peu arbustive et des rugosités de diamètre médian de l'ordre de 0.1m (et d90=0.4m) d'après les formules de Strickler et de Meyer-Peter et Müller.
Le modèle de turbulence choisi est simple (avec une viscosité constante et un coefficient de diffusion des vitesses valant 2).
L'équation de Saint Venant est résolue sous sa forme non-conservative (utilisation de la méthode des éléments finis) pour la détermination des caractéristiques de l'écoulement.

 

Les simulations de la rupture ont été réalisées de manière à pouvoir estimer la surface affectée par les eaux issues de la rupture.
Le lâcher d'eau est extrêmement rapide au début de la simulation (voir vidéo 1). Au bout d'une heure, l'eau s'approche dangereusement des habitations et atteint localement une hauteur de 17cm dans les villages de 1600 et de Prey Sabeyran. Cette hauteur doit être probablement plus élevée ponctuellement, une étude plus approfondie serait pertinente pour mieux l'évaluer. La lame d'eau de le rupture atteint le premier village (zone jaune sur la figure 1 ci-dessous) en moins de 10min et le second en 23min. La vitesse est élevée, elle est en moyenne de 6 km/h lors du trajet entre la retenue et le premier village.

Vidéo 1 - Evolution de l'inondation pendant la première heure



 Figure 1 - Ampleur de l'inondation à l'issue de la rupture après 1h. La zone en rouge représente la zone touchée par l'inondation. Les zones jaunes représentent les villages impactés par la rupture et le polygone vert représente la retenue. Le contour bleu correspond à la région modélisée par TELEMAC 2D. (source : Google Earth)

On peut remarquer que l'eau se divise en deux branches. En effet, un surplomb de 35 cm est présent juste devant la retenue. Cette division est donc cohérente avec la topographie du versant. Cependant, la branche de gauche visible sur la vidéo ci-dessus est fortement déviée. Les pentes relevées sur Google Earth ne permettent pas d'expliquer une telle déviation. La faible précision de la carte utilisée pour la modélisation sur le logiciel TELEMAC 2D peut être responsable de ce phénomène. Les résultats obtenus sont donc à relativiser au vu de la précision de la simulation.

Comme l'eau est susceptible d'atteindre les habitations nous avons souhaité quantifier la hauteur d'eau maximale présente. La hauteur d'eau atteint entre 14 et 17 cm dans la station de 1600m, de 1400 m et dans le village de Prey Sabeyran.

Afin d'évaluer l'ampleur de la zone touchée par la rupture, une simulation sur vingt jours à été réalisée. On remarque, à tord, que l'eau ne s'écoule pas dans la rivière par la suite. Cet inconsistance provient de la faiblesse de résolution de la carte des altitudes (résolution de 23m). Il n'y a donc pas une accumulation d'eau de plus de 1m, comme constaté sur la figure ci-dessous.



Figure 2 - Modélisation de l'inondation issue de la rupture après 20 jours. L'identification  des zones touchées sur l'image obtenue sur Fudaa (image du haut) a été réalisée sur Google Earth. Les traits en rouge représente la surface inondée, les traits verts la retenue, les traits jaunes les zones habitées touchées et le trait bleu la zone considérée pour la modélisation sur TELEMAC 2D. (Source : Fudaa et Google Earth)

 

Le débit de pointe d'une rupture telle que celle conçue pour ce projet est compris entre 80m3/s et 215m3/s d'après les formules récapitulées dans le tableau ci-dessous :

Estimation du débit de pointe d'une rupture
Formules ne faisant intervenir que la hauteur H du barrage (en m)
Da Costa Q=8.16 H1.97
Mac Donald et Langridge Q=4.22 H2.14

Formules faisant intervenir la hauteur H du barrage (en m) et le volume V de la retenue (en millions de m3)

J.E. Costa Q=325 (H.V)0.42
P.Molinaro Q=7.7 H1.84 V0.221
USBR Q=31 H1.41 V0.22
Da Costa Q=11.9 H1.72 V0.17

On retrouve effectivement de valeurs proches de 100m3/s quelques secondes après la rupture de la retenue.

Au vu des impacts simulés, la nécessité d'installer un évacuateur de crue bien dimensionné est confirmé.

Enneigement artificiel et aménagement du domaine skiable

Cette partie, réalisée par le binôme 2, traite de l'enneigement artificiel et de l'aménagement du domaine skiable.

L'étude présentée ci-après se décline en 4 étapes :

  • Hypothèse d'agrandissement afin de déterminer l'apport en eau supplémentaire dont la station aurait besoin
  • Étude du réseau actuel pour mieux comprendre comment est répartie la ressource actuelle d'eau et quels sont les différents canons à neige
  • Étude de l'agrandissement du domaine skiable selon différentes possibilités qui seront discutées par la suite
  • Étude de coûts afin de quantifier le coût d'un tel projet et de voir la rentabilité de celui-ci

Hypothèse d'agrandissement du domaine skiable

Nous allons définir dans cette partie l'hypothèse d'agrandissement concernant l'enneigement artificiel pour la station et la création de nouvelles pistes. On sait qu'il faut $1~m^3$ d'eau liquide pour produire $2$ à $2.5$ $m^3$ de neige artificielle.

Situation actuelle :

Actuellement la station est équipée de 70 enneigeurs de types perche et 5 ventilateurs qui permettent d'enneiger 39 ha sur les 102 du domaine skiable, soit environ $38\%$ du domaine. Les perches correspondent à des canons à neige bifluides tandis que les ventilateurs sont des canons à neige monofluides (voir la section Fonctionnement d'un canon à neige pour plus de détails à ce sujet).

Les pistes actuellement équipées de canons à neige sont représentées sur le schéma ci-dessous :

Figure 1 - Pistes actuellement enneigées artificiellement. (Source : Opensnowmap)

 

Au total, il y a donc 13 kilomètres de pistes enneigées. (Les longueurs des pistes ont été mesurées à l'aide du site opensnowmap.org)

La quantité d'eau actuellement utilisée pour répondre à ces besoins est de $85 000~m^3$.

 

Agrandissement :

L'agrandissement du domaine skiable pour répondre aux besoins futurs consiste à ouvrir une nouvelle piste d'une part, et d'augmenter le nombres de canons à neige d'une seconde part.

Les canons à neige permettraient de palier à l'augmentation de la température due au changement climatique mais également de proposer à la station un meilleur enneigement et ainsi une meilleure attractivité. 

 

  • La nouvelle piste :

Figure 2 - Départ de la nouvelle piste. (Source : Opensnowmap)

 

La nouvelle piste mesure 1,8 km et l'on y placera donc 11 canons. Ce projet a été proposé par la DREAL Provence-Alpes-Côte-d'Azur.

La piste est décomposée en deux partie : Une bleue et une verte. 

Au final la piste s'étend d'une altitude de 1485m à 1385m pour la piste verte et de 1381m à 1148m pour la piste bleue pour une pente moyenne d'environ $19,5\%$

Figure 3 - Projet pour la création de nouvelles pistes. (source : Géoportail)

 

La nouvelle piste permettrait d'assurer la continuité amont-aval entre le domaine skiable de Puy-Saint-Vincent et la commune de Vallouise, située en fond de vallée. Cette piste, jadis existante et reliée au domaine de Puy-Saint-Vincent par un téléski, a été laissée à l'abandon ces dernières années, notamment à cause d'un déficit d'enneigement. L'utilisation de canons à neige sur cette piste réhabilitée permettra ainsi de recréer le lien entre les communes de Puy-Saint-Vincent et Vallouise et redynamisera l'activité touristique hivernale.

 

  • Les nouveaux canons à neige :

Pour l'emplacement des nouveaux canons à neige, nous avons opté pour deux choix :

Choix 1 : 31 canons à neige pour 5,2kms

  • Balme (piste bleue, 2,0km),
  • Bois des Coqs (piste rouge, 2,2km),
  • Liaison Balme et liaison Clot (pistes vertes, 1km)

 

Figure 4 - Choix 1 pour l'agrandissement de l'enneigement artificiel. (source : Opensnowmap).

 

Choix 2 : 31 canons à neige pour 5,5kms

  • Le Chemin (piste verte, 1,3km),
  • Draille (piste rouge, 1,8km),
  • Crête (piste bleue, 2,1kms).

Figure 5 - Choix 2 pour l'agrandissement de l'enneigement artificiel (source : Opensnowmap).

Le choix 1 correspond à la partie la plus basse du domaine et donc celle qui est la plus susceptible d'être impactée par des températures positives, cependant ce sont des pistes situées sur le versant nord. Quant à lui, le choix 2 est situé dans les plus hautes altitudes mais sur le versant sud, donc plus exposé au soleil.

Le choix final se fera en fonction de l'étude d'impact fait par le binôme 4 mais également par l'étude de coût pour le nouveau réseau.

 

Les nouveaux besoins en eaux qui répondront à la création de pistes et à l'installation de canons à neiges sont donc de $50 000$ $m^3$.

Étude du réseau actuel

Ce deuxième grand axe consiste à développer le réseau existant à l'aide du logiciel Porteau.

Objectifs :

  • Étudier le fonctionnement d'un canon à neige
  • Représenter le réseau d'adduction actuel

 

Nous chercherons dans un premier temps à retrouver les résultats observés sur le terrain à l'aide d'une modélisation du réseau actuel et d'une simulation sur une saison complète. Cette première étape nous permettra de valider notre modèle mais également d'avoir le réseau actuel entièrement modélisé, ce qui sera indispensable lors de la création du réseau raccordé faisant suite à l'ajout de nouveaux canons, d'une nouvelle piste, et d'un nouveau réservoir.

Pour cela, nous présenterons les données que nous avons recueilli sur la station de Puy Saint Vincent, avant de nous intéresser au fonctionnement des enneigeurs utilisés. Une fois ces deux étapes réalisées, nous modéliserons le réseau actuel et le validerons sur une saison, afin d'obtenir le niveau d'eau à tout instant et de caler les paramètres auxquels nous n'avons pas pu avoir accès, comme les puissances des pompes qui assurent une pression suffisante en chaque canon à neige.

Données sur Puy Saint Vincent

Cette section répertorie les différentes données récoltées sur le système d'enneigement artificiel de la station Puy-Saint-Vincent.

Enneigeurs :

La station est équipée de 75 canons à neige qui sont alimentés à l'aide de la retenue collinaire située à 2190 m d'altitude. 

Les canons utilisés sont pour la majorité de type bifluide (70), mais quelques canons monofluide pouvant se déplacer sont également présents sur la station (5). Ces canons fonctionnent seulement la nuit et la température de l'eau dans les canalisations est très importante et doit être comprise enter 0°C et 1°C. C'est pour ces raisons que la réserve d'eau pour la neige artificielle est située assez haut en altitude afin de satisfaire ces critères de température. Plusieurs pompes sont nécessaires à l'intérieur du réseau d'alimentation des canons à neige afin d'assurer la pression minimale nécessaire aux canons à neige (16 bars). De même, des réducteurs de pressions sont installés afin de respecter la pression maximale en chaque canon (50 bars).

Lorsque tous les canons à neige fonctionnent, la consommation en eau est de l'ordre de $500~m^3/h$

 

Retenue :

La retenue d'altitude du Rocher Noir a une contenance de $27 000$ $m^3$ et elle est remplie plusieurs fois par an à l'aide de deux pompes situées à $1740$ $m$ et $1800$ $m$ d'altitude.

  • La pompe située en contrebas fournit un débit de $25$ $m^3/h$ et est principalement en activité entre octobre et avril. Certains remplissages peuvent cependant avoir lieu pendant l'automne afin d'avoir une retenue pleine au début de la saison de ski. Cette pompe puise dans une ancienne réserve en eau potable abandonnée à la suite de nouvelles réglementations sur la qualité de l'eau. La canalisation reliant la pompe au réservoir a un diamètre de 200 mm et est en fonte.
  • La seconde pompe fournit un débit de $125$ $m^3/h$. L'eau provient du trop plein d'eau potable et, par conséquent, elle ne fonctionne pas pendant les périodes de vacances scolaires. Le tuyau reliant la pompe à la retenue d'altitude est en acier avec membrane et possède un diamètre de 160 mm. Le volume maximum prélevable sur une année est de $110 000$ $m^3$

Ainsi, le débit maximal de remplissage de la retenue est de $145~m^3/h$

 

Consommations et réseau :

Le réseau d'adduction est composé de tuyaux en fonte de diamètre de 200 mm. Le coefficient de Hazen-Williams, qui caractérise la rugosité d'un matériau, est d'approximativement 100 pour l'ensemble des canalisations. Plus ce coefficient est grand, plus le matériau en question est lisse.

La consommation totale en eau de ces dernières saisons est de :

  • 2012-2013 : $83 000$ $m^3$
  • 2013-2014 : $88 000$ $m^3$
  • 2014-2015 : $86 000$ $m^3$

Ainsi, en moyenne les consommations en eau pour alimenter les canons à neige sont de l'ordre de grandeur de $85 000$ $m^3$ ce qui correspond à une couche d'environ 55 cm (cumulé sur toute la saison hivernale) sur les différentes pistes enneigées.

Fonctionnement des enneigeurs

Types d'enneigeurs :

Il existe deux types d'enneigeurs, monofluide et bifluide. Les enneigeurs monofluides sont alimentés uniquement par un réseau d'eau et agissent tel un ventilateur. Le canon à neige prend la forme d'un ventilateur dans lequel de l'eau sous pression est envoyée. Ils possèdent ainsi l'avantage d'être transportables. Les enneigeurs bi-fluides sont cependant plus répandus grâce à leur efficacité supérieure. Ils sont alimentés par un réseau d'eau et un réseau d'air sous pression, et peuvent être à induction ou à nucléation (voir la partie "Production de la neige").

Nous ne préciserons ici que le fonctionnement des canons à neige bi-fluides, car c'est ce type d'enneigeur qui est majoritairement utilisé sur le domaine de Puy-Saint-Vincent. Le fonctionnement de ces canons est associé à une retenue d'altitude.

Les canons à neige de type bi-fluide utilisent de l'eau et de l'air sous pression pour fonctionner. On trouve donc deux réseaux d'air et d'eau souterrains. Afin d'assurer la pression nécessaire à chaque canon, des stations de pompage et des compresseurs d'air sont installés en des points critiques du réseau. De plus, la retenue collinaire est le plus souvent placée en altitude pour obtenir plus de pression par écoulement gravitaire. De ce fait, les stations de pompages ne sont nécessaires qu'en des points particuliers du réseau. 

Les caractéristiques des canons majoritairement utilisés par la station (modèles Borax et Rubis) sont décrites dans les deux images ci-dessous, obtenues à partir du site de TechnoAlpin :

Figure 1 - Caractéristiques du canon à neige Rubis. (source : Technoalpin)

Figure 2 - Caractéristiques du canon à neige Borax(source : Technoalpin)

 

Les principales caractéristiques que nous veillerons à respecter sont les pressions maximales et minimales ainsi que les débit d'eau entrant dans les canons. D'autres caractéristiques, comme par exemple le niveau sonore, seront prises en compte pour l'étude de l'impact environnemental.

 

Les canons à neige sont équipés de vannes de régulation qui agissent à la fois sur l'air et sur l'eau. En effet, des mesures en temps réel de température et d'humidité sont réalisées par des capteurs placés sur les pistes de ski et permette de réguler la mise en marche des enneigeurs à l'aide d'automates. Les mesures d'humidité sont réalisées à l'aide d'un matériau hygroscopique, c'est à dire qui peut absorber et restituer la vapeur d'eau. Des anémomètres sont également installés pour contrôler la vitesse du vent, qui n'est pas un paramètre clé de fonctionnement mais un paramètre perturbateur, et donc à prendre en compte.

 

Conditions climatiques :

La température à prendre en compte pour le fonctionnement des canons à neige est la température humide. Cette température correspond à la température enregistrée par un thermomètre où le bulbe est recouvert d'une mèche imprégnée d'eau. Ainsi, les températures humides sont inférieures aux températures sèches, puisqu'elles correspondent aux températures sèches dans le cas d'une humidité de $100$ $\%$.

À l'aide d'un diagramme psychrométrique, on obtient le tableau ci dessous :

Tableau 1 : Qualité de la neige

On relève 3 catégories de fonctionnement :

  • En vert, les températures humides sont inférieures à $-7°C$ et la neige produite est de bonne qualité.
  • En jaune, les températures humides sont comprises entre $-7°C$ et $-3°C$ : la production de neige de culture est possible mais la neige est humide. Ce type de neige est toutefois satisfaisant pour réaliser une sous-couche neigeuse en début de saison.
  • En rouge, la température humide est supérieure à $-3°C$ et il n'est pas possible de produire de la neige artificielle.

Ainsi, afin d'obtenir de la neige de bonne qualité, on privilégie un fonctionnement nocturne.

Les automates de régulation installés dans les enneigeurs possèdent en mémoire le diagramme psychrométrique utilisé pour aboutir au tableau ci-dessus, et calculent donc le température humide à tout instant, puis, selon la qualité de neige souhaité, autorisent ou non la mise en marche de l'enneigeur.

 

Production de la neige :

Il existe deux types principaux de canons à neige bi-fluide utilisés sur la station de Puy-Saint-Vincent.

  • À induction :

Les canons à neige bi-fluides à induction (de type Borax) sont équipés d'une buse composée d'une chambre de mélange eau-air et de deux gicleurs. La production de la neige se fait alors en 5 étapes :

  1. Atomisation : le jet d'eau est séparé en fines gouttelettes dont la taille permet une cristallisation en glace dès lors qu'on les projette dans l'air ambiant à température (humide) négative. La congélation est d'autant plus facilitée que la taille des gouttes est petite. En pratique, on cherchera à obtenir un diamètre autour de 0.5 mm.
  2. Insémination : les gouttelettes sont ensuite transformées en grains congelés par rupture de l'état d'équilibre de l'eau en surfusion dès une température aux alentours de -3°C humide. Cette insémination se fait par la rencontre de l'eau atomisée avec le flux de nucléation.
  3. Dispersion : les gouttelettes sont alors projetées dans l'air ambiant et se transforment rapidement en glace, avant d'atteindre le sol. Cette dispersion peut avoir lieu grâce à un ventilateur (plutôt dans le cas d'un enneigeur mono-fluide) ou grâce à la détente d'air comprimé ou d'eau à forte pression. C'est pour cela qu'on cherche à obtenir des pressions d'eau et d'air importantes au niveau du canon à neige.
  4. Évaporation : en parallèle, lorsque la gouttelette est projetée dans l'air, sa partie extérieure va avoir tendance à s'évaporer et ainsi à faciliter sa congélation. Cette évaporation sera d'autant plus importante que l'air ambiant est sec. Ceci est en accord avec le tableau présenté ci-dessus, dans lequel on voit apparaître des températures maximales de production plus élevées pour un air sec.
  5. Convection : enfin, de la chaleur est échangée par le contact entre l'eau (la gouttelette) et l'air, et la neige formé par le processus décrit précédemment est transportée jusqu'au point souhaité. C'est en partie pour cela que des anémomètres sont placés à proximité de chaque canon à neige.

 

  • À nucléation :

Les canons à neige bi-fluides à nucléation (de type Rubis) sont, quant à eux, équipés d'une buse composée de quatre étages de gicleurs. La production de la neige se fait cette fois ci en 6 étapes, une étape de nucléation s'ajoutant entre l'étape d'atomisation et celle d'insémination. Les quatre chambres d'une buse d'un canon de type rubis sont remplies pour trois d'entre elles d'eau sous pression, et pour une d'entre elles d'un mélange eau-air. C'est cette couronne, composée d'un mélange, qui est à la base de la nucléation.

La nucléation permet la formation de micro-cristaux de glace qui seront utiles à l'insémination des gouttelettes lors de leur sortie de l'enneigeur. Ces micro-cristaux sont formés par un mélange eau-air sous pression (avec une proportion d'air importante), puis une fragmentation de ce mélange par un orifice qui provoque une brutale détente de l'air et donc un refroidissement en sortie du nucléateur. Une  cristallisation immédiate des particules d'eau en présence provoque alors la formation des micro-cristaux de glace (aussi appelés noyaux de nucléation).

Les étapes suivantes sont alors similaires au cas du canon à induction et sont facilitées par la présence de ces noyaux de nucléation.

Modélisation sous Porteau

Présentation du logiciel Porteau :

Nous avons choisi d'utiliser le logiciel Porteau pour la modélisation de notre réseau d'eau, que ce soit au niveau de l'alimentation de la retenue d'altitude ou des différents enneigeurs.

Le logiciel Porteau est un logiciel (développé par le concepteur Cemagref) qui permet de simuler un réseau sous pression pour une durée de quelques jours voire quelques mois (1000 heures maximum).

Ce logiciel possède trois modules : Opointe, Zomayet, Qualité qui permettent de s'intéresser respectivement au problème stationnaire, instationnaire et problème de la qualité des eaux.

A l'aide de son interface, il est alors possible de visualiser le réseau et de regarder en tout point du réseau les différentes pressions, hauteurs d'eau, etc..

Dans le cadre de notre étude, nous exploiterons principalement le module Zomayet du logiciel puisque c'est l'impact sur une saison qui est intéressant.

 

Dimensionnement des pompes :

Dans un premier temps il a fallu dimensionner les pompes car les données à notre disposition ne nous permettent pas d'avoir ces valeurs.

Les deux débits d'entrées sont $25m^3/h$ et $120m^3/h$ pour des altitudes qui sont respectivement de $1800$ $m$ et de $1740$ $m$. 

Pour savoir la puissance de la pompe nous utilisons la formule suivante :

$$W = \frac{\rho g Q H} {\eta} $$.

où Q est le débit d'entrée en $m^3/s$, g la constante de gravité en $m/s^2$ et $\rho$ la masse volumique de l'eau en $kg/m^3$ et H la hauteur de chute entre la retenue et les deux pompes.

Avec cette formule nous trouvons alors les valeurs suivantes pour les pompes :

$W1$ = $26,56$ $kW$

$W2$ = $147,15$ $kW$

Note : Le rendement dans la pompe sous Porteau est de 100 %. Le dimensionnement que nous ferons ne correspondra donc pas à la valeur des pompes réelles. Pour connaitre la valeur réelle des pompes en place sur le site il faudra diviser les deux valeurs obtenues par le rendement d'une pompe, compris entre 0.6 et 0.7 selon le type de la pompe.

Nous avons alors regardé l'impact des pertes de charges linéaires sur la puissance.

Pour cela nous avons calculé la perte de charge linéaire à l'aide de la formule d'Hazen Williams simplifiée :

$$ \Delta H = J L$$

Avec L la longueur du tuyau reliant la pompe au réservoir et J un coefficient défini comme :

$$J = 6.18 \left(\frac{V}{C_{HW}}\right)^{1,852} D ^{-1.167}$$

où $C_{HW}$ est le coefficient d'Hazen Williams valant 100 pour la fonte et 120 pour l'acier avec membrane, V la vitesse de l'écoulement en m/s et D le diamètre du tuyau en m.

Avec cette formule nous trouvons les pertes de charges linéaires suivantes :

  • Pompe 1 : $\Delta H_1 = 0.0562 m$
  • Pompe 2 : $ \Delta H_2 = 1.437 m$

Nous pouvons donc conclure que ces pertes de charges sont négligeables devant la hauteur de chute qui vaut environ $300$ $m$.

 

Hypothèses :

Différentes hypothèses ont été faites afin de pouvoir modéliser le problème sous Porteau :

- Les 75 canons à neige sont des enneigeurs bifluides et fixes

- Les pertes de charge linéaires et singulières dans les canalisation ne sont pas prises en compte

- 3 pompes supplémentaires sont nécessaires pour que la pression à chaque canon soit égale à celle demandée

- Les canons à neige sont espacés régulièrement sur chaque piste

 

Simulation :

Avec les hypothèses ci-dessous les entrées géométriques du problèmes sont donc les suivantes :

Surface de la cuve : $5000$ $m^2$

Diamètre des canalisations : $200$ $mm$

Puissance de la pompe 1 :  $150$ $kW$

Puissance de la pompe 2 :  $30$ $kW$

Puissance des pompes assurant la pression minimale :  $350$ $kW$, $15$ $kW$, $15$ $kW$

Plage des fonctionnement des canons à neige : Dépend de la météo mais fonctionnent entre 22 h et 6 h du matin

Débit prélevé pour chaque canon : $1.8~L/s$

Le modèle de consommation utilisé pour représenter les canons à neige est un modèle industriel qui permet de représenter correctement le fonctionnement des canons à neige, en imposant une valeur fixe à chaque canon associé à des plages de fonctionnement.

 

Le réseau alors modélisé sous Porteau est représenté ci-dessous :

Figure 1 : Schématisation du réseau fait sous Porteau

 

Les puissances des pompes supplémentaires ont été imposées de manière à assurer une pression d'au minimum $16$ bars à chaque point de prélèvement (correspondant à chaque canon). Pour minimiser les coûts et ne pas mettre inutilement le réseau sous pression, nous ferons fonctionner les pompes lorsque les canons à neige sont en marche, c'est à dire seulement la nuit.

Nous devons alors nous assurer que le modèle créé fonctionne bien et assure bien tous les critères pour le fonctionnement d'une pompe. Pour cela nous avons fait une simulation sur la première journée où les canons commencent à tourner à 22 h.

Dans un premier temps, nous regardons la consommation en eau en un point quelconque du réseau.

Figure 2 : Visualisation de la consommation en eau au point C2Burle

 

La consommation en eau au point C2Burle est bien de 0 avant 22 h, puis passe à $1,8$ $L/s$ à 22 h. Le modèle de consommation que nous avons imposé semble donc convenir à ce que nous souhaitons modéliser.

Pour valider notre modèle, il est également important de regarder la pression à chaque point. Pour éviter de regarder les 72 points du réseau correspond au 72 canons à neige, nous nous intéresserons à deux points : CoqH, qui correspond au point le plus haut et qui a donc la pression la moins forte, et LandesB, qui correspond au point le plus bas et qui peut avoir des problèmes de surpression.

Figure 3 - Visualisation de la pression au point CoqH

 

Au point CoqH, situé à l'altitude $2323$ $m$, la pression est négative lorsque les canons à neige ne fonctionnent pas puisque ce point est situé plus haut que la retenue d'altitude (qui est à $2190$ $m$). Cependant, lorsque les canons à neige doivent fonctionner les pompes de surpression permettent d'assurer la pression minimale de $16$ bars.

Figure 4 - Visualisation de la pression au point LandesB

 

Dans le cas du point LandesB, la pression lors du fonctionnement des canons est de 75 bars, inférieure à la pression maximale recommandée pour le type de canons de la station Puy Saint Vincent (voir la fiche technique dans la section ''Fonctionnement des enneigeurs''). Cependant d'autres canons à neige nécessitent une pression maximale de $60$ bars. Il est alors important d'installer des réducteurs de pressions afin d'abaisser la pression à celle voulue. En effet, la différence d'altitude entre le haut du domaine et le bas du domaine et de près de $1000$ $m$ et la pression sur les canons du bas du domaine risque d'être trop élevée et d'occasionner des dommages si la pression n'est pas contrôlée.

Le schéma ci-dessous présente 5 réducteurs de pressions assurant une pression adéquate en tout point du réseau. Ces réducteurs ont été installés principalement sur la partie basse du réseau car c'est à cet endroit que la pression, liée à la hauteur de chute, est la plus importante : 

Figure 5 - Nouvelle schématisation du réseau équipé de réducteurs de pression

 

Ce réseau constitue alors le réseau actuel représenté dans sa forme définitive. Par ailleurs, lorsqu'il n'y a pas de consommation, une vanne située au niveau de la retenue empêche l'eau de se répandre dans les canalisations qui se retrouvent ainsi vidangées. Cela est d'autant plus important que les températures sont négatives et que l'eau risquerait de geler dans les canalisations.

Validation du modèle sur une saison

Afin de valider notre modèle nous avons décidé de faire une simulation sur une saison entière afin de retrouver les consommations en eau de la station cités dans la section "Données sur Puy Saint Vincent''.

 

Travail préliminaire :

Nous avons décidé de faire deux modèles de consommation :

  • Un modèle concernant les pistes situées à hautes altitudes (Bergerie, Bois des Coqs, Clos Aval, Le Chemin) où les canons à neige ne fonctionneront qu'en début de saison car il est nécessaire d'avoir une sous-couche qui sera ensuite présente tout au long de l'année et qui stabilisera le manteau neigeux. Ensuite, les chutes de neiges naturelles permettront vraisemblablement d'assurer une hauteur de neige suffisante.
  • Un modèle concernant les autres pistes, qui sont situées à plus basse altitude. Les canons à neiges fonctionneront quand la hauteur de neige sera insuffisante. Cette partie de la station doit être d'autant plus enneigée car c'est elle où il y a le plus de passage et car c'est sur cette partie du domaine que le déficit en neige naturelle est souvent le plus important.

Pour déterminer les périodes de fonctionnement des canons à neige nous avons relevé les hauteurs du neige moyennes pour la saison 2013-2014 sur la station Puy-Saint-Vincent. Sur la figure ci-dessous est présenté les jours où toutes les pistes seront enneigées (en rouge) et où seules les pistes du bas du domaine seront enneigées (en vert) :

 

Figure 1 - Calendrier d'enneigement de la saison 2013-2014 (Source : skiinfo.fr)

Note :

- Le domaine est enneigé de manière à ce qu'il puisse ouvrir pour les vacances de Noël

- Il n'y a plus d'enneigement artificiel à partir de février-mars, c'est à dire la fin de saison, où la couche de neige est suffisante et les températures plus élevées

- La station a connaissance des prévisions climatiques et ainsi, les enneigeurs ne fonctionnent pas pas une veille de chute de neige.

- Le niveau d'eau dans la retenue d'altitude est régulé de manière automatisée. Les pompes assurant le remplissage cessent de fonctionner lorsque le niveau d'eau est suffisamment haut.

 

Résultats :

Une simulation a donc été faite sur la saison 2013/2014. Nous avons tracé ci-dessous la hauteur d'eau dans le réservoir durant les 11 semaines d'enneigements artificiels.

Figure 2 - Évolution de la hauteur d'eau dans le réservoir

 

Comme dit précédemment, nous pouvons observer que les pompes arrêtent de fonctionner lorsque le réservoir atteint 5 mètres et elles redémarrent lorsque le niveau d'eau atteint 3 mètres. Ceci permet de réguler le niveau d'eau dans le réservoir de manière à ce qu'il ne déborde pas ni se retrouve asséché. On peut observer également que les pentes de remplissage sont plus faibles entre les semaines 3 et 5, puisque cette période correspond aux vacances scolaires de Noël, pendant laquelle il n'est pas possible de puiser dans le trop plein d'eau potable.

 

Si nous regardons la consommation en eau au bout de 23 heures, soit une heure après le début de fonctionnement des canons à neige, nous avons une quantité d'eau sortante de $473$ $m^3$ ce qui correspond donc à un débit de $473$ $m^3/h$ pour la production lorsque tous les canons à neige sont en fonctionnement. Nous retrouvons donc bien la valeur annoncée par la station qui est de $400-500$ $m^3/h$.

 

Enfin, si nous regardons la consommation totale d'eau du réservoir au bout de la saison nous avons une consommation en eau de $77$ $000 m^3$ d'eau , ce qui est un peu en dessous des données que nous avons pu récolter sur les consommations en eau. Cela s'explique par le fait que nous n'avions pas les jours où les canons à neige ont été utilisés et que nous avons donc du faire des hypothèses. 

Étude de l'agrandissement du domaine skiable

Cette section décrit le nouveau réseau pour un plus grand enneigement des pistes avec de la neige artificielle. Deux choix ont été retenus et nous regarderons l'impact sur le réservoir de ces deux choix.

Objectif :

  • S'assurer de la production de neige de culture en basses altitudes.​
  • Proposer un nouveau réseau d'adduction

​​

La nouvelle retenue, dont l'emplacement a été défini dans l'étude préliminaire de la conception de la retenue, se situe à une altitude de 1850 m et elle se remplit à $250$ $m^3/h$. Cependant la retenue ne sert pas seulement à l'enneigement artificiel de la station mais elle est aussi une source pour la station de production d'eau potable qui en puise environ $35$ $m^3/h$  en continu.

Nous avons décidé de garder la même consommation en eau pour la première retenue et de puiser les $50 000$ $m^3$ d'eau nécessaire dans la seconde retenue. Cependant il ne s'agissait pas de construire un second réseau mais simplement de raccorder le nouveau réseau à l'ancien afin de limiter les coûts et de répartir judicieusement les ressources en eau à travers le domaine. Pour ce faire, des clapets et des vannes ont été installés pour faire face aux nombreuses ramifications du réseau et éviter que l'eau ne circule dans différents sens. Les vannes permettent aussi de limiter à la valeur actuelle la consommation en eau du réservoir déjà existant malgré l'installation de nouveaux canons à neige. Nous avons voulu minimiser les coûts et pour éviter d'installer une nouvelle pompe la nouvelle réserve en eau a été reliée à un point assez bas du domaine afin que la pression minimale de 16 bars soit assurée sans l'utilisation d'une pompe.

Les deux choix 1 et 2 (explicités dans l'hypothèse d'agrandissement), sont détaillés dans les parties suivantes mais au préalable nous avons voulu vérifier qu'il était possible d'installer des canons à neige sur la piste créée.

Données météorologiques

Pour installer les canons à neige et assurer leur fonctionnement, il faut avoir une pression d'eau suffisante mais il faut également que l'environnement extérieur soit propice. Pour le choix 1 et le choix 2 que nous avons décrit dans la première partie dans la section Hypothèse d'agrandissement, les pistes supplémentaires à enneiger se situent à la même altitude, voire plus haute, que celles déjà enneigées. Il n'y a donc pas de problème. En revanche, pour le projet de la nouvelle piste, si c'est un projet bien concret et abouti, le projet ne parle pas de l'installation de canons à neige sur cette piste.

 

Dans la partie précédente, nous avons vu les conditions de création de la neige artificielle (voir paragraphe Fonctionnement des canons) à l'aide d'un tableau représentant la qualité de la neige en fonction de l'humidité de l'air et de la température. Connaissant ces conditions, nous avons décidé de relever les différentes températures humides en bas de la nouvelle piste (i.e à 1148 m) afin de voir si il serait possible, d'un point de vue météorologique, d'enneiger artificiellement cette piste :

Les relevés sont les relevés pris sur Météo Ciel où la station de mesure se situe à 1400m d'altitude. Chaque jour entre le 19 et le 22 février 2015 et entre le 4 mars et le 7 mars 2015 nous avons relevé sur le site les prévisions pour le jour suivant. Le modèle numérique utilisé est le modèle WRF, un autre modèle existe : le modèle GFS, mais les prévisions que nous avions avec le modèle GFS étaient seulement toutes les trois heures, ce qui n'était pas assez détaillé.

 Pour connaitre les valeurs à 1148m d'altitude nous sommes partis sur le principe que l'air perd 0,65°C tous les 100m. Ainsi la différence de température entre la station de mesure et le bas de la nouvelle piste est de 1,62°C. 

Le tableau ci-dessous récapitule les différentes températures humides au bas de la nouvelle piste : 

Figure 1 :Température humide pour deux périodes distinctes (février et mars) (Source : meteociel.fr)

Pour le graphe ci-dessus, nous avons adopté le même code couleur que dans la partie décrivant les plages de fonctionnement météorologiques des canons à neige. Ainsi, lorsque la case est en verte le fonctionnement du canon à neige est optimal, lorsque la case est colorée en jaune, alors la production de neige de culture est possible bien que la neige obtenue soit humide. Enfin, avec une température inférieure à 3°C, la production de neige artificielle n'est pas possible. 

Nous pouvons remarquer que la plupart du temps les canons  seraient susceptibles de fonctionner car leur température humide sur la piste est inférieure à -7°C pendant le mois de mars.

Il est donc cohérent de vouloir équiper la nouvelle piste de canons à neige. 

Choix 1

Dans un premier temps, nous ajustons le modèle Porteau pour équiper de nouvelles pistes, comme il a été indiqué dans les hypothèses d'agrandissement. Nous ajoutons pour cela tous les canons à neige supplémentaires à l'aide des profils topographiques de chaque piste. Nous avons aussi placé la nouvelle retenue à l'aide des informations obtenues grâce à l'étude du bassin versant. Le nouveau modèle obtenu avec Porteau est le suivant :

Figure 1 : Nouveau réseau correspondant au choix n°1

 

Le nouveau réseau est alors ramifié sur celui déjà existant et plusieurs vannes sont installées aux endroits où l'eau provient potentiellement des deux réservoirs. En effet, l'eau provenant du réservoir actuel arrivera au bas du domaine avec une très forte pression, qui n'est pas nécessaire au fonctionnement des canons à neige. À l'inverse, l'eau provenant du nouveau réservoir, situé plus bas en altitude, aura une pression satisfaisante pour alimenter les canons du bas du domaine, mais pas assez de pression pour alimenter ceux du haut du domaine. L'installation de vannes en des points clés du réseau permet alors de réguler la provenance de l'eau.

On donne donc le schéma ci-dessous qui permet de montrer comment l'eau de chaque réservoir est utilisée :

Figure 2 : Répartition de l'eau pour le choix n°1

 

Le nombre de canons à neige reliés au nouveau réservoir est relativement faible, mais l'ensemble de ces canons est situé sur le bas du domaine skiable, et qui demande donc un enneigement artificiel plus important. Ainsi, nous avons conservé la même consommation pour le réservoir actuel. Bien entendu, cette consommation est susceptible de varier d'une année sur l'autre en fonction des aléas climatiques, et nous avons donc gardé une consommation fixe pour une année donnée seulement.

On donne alors la hauteur d'eau dans le réservoir tout au long de la saison hivernale 2013-2014 :

Figure 3 : Hauteur d'eau dans l'ancien réservoir au cours du temps

 

On peut alors remarquer que notre réservoir a un volume et un débit de remplissage suffisant pour assurer le fonctionnement des différents enneigeurs malgré l'ajustement du réseau de canons à neige. Dans un deuxième temps, il est important de vérifier que le nouveau réservoir que nous souhaitons mettre en place pour l'agrandissement a été correctement dimensionner pour supporter les demandes en eau potable et en eau pour les canons à neige. On observe alors le niveau de ce réservoir au cours du temps pour la même simulation que précédemment. Le résultat obtenu est le suivant :

Figure 4 : Hauteur d'eau dans le nouveau réservoir au cours du temps

 

On observe immédiatement de plus grandes fluctuations de niveau que pour le réservoir existant actuellement dans la station. Cela est directement relié au fait que ce réservoir aura une double utilisation :

  • $35$ $m^3/h$ de débit en continu pour alimenter la station de production d'eau potable
  • $300$ $m^3/h$ de débit pour les canons à neige, sur des plages de fonctionnement de $8$ heures consécutives

Toutefois, le niveau dans le réservoir reste acceptable au cours du temps, ce qui nous conforte dans le bon dimensionnement de ce réservoir en vue de sa double utilisation.

Il est maintenant important de s'assurer qu'un débit de $1.8$ $L/s$ est disponible au niveau de chaque canon et que la pression est comprise entre $16$ et $60$ bars. La consommation en eau au point CoqH est la suivante :

Figure 5 : Consommation instantanée au point CoqH

 

On constate immédiatement que le canon à neige dispose bien de $1.8$ $L/s$ pour fonctionner. Après avoir vérifié ces résultats pour chaque canon à neige du réseau, on choisit de ne présenter pour les pressions que ceux qui concernent le point le haut du réseau, CoqH, susceptible de manque d'eau ou de pression, et celui la plus bas de réseau, NouvelleB, susceptible d'être victime de surpressions. On obtient :

Figure 6 : Pression au point CoqH

 

Nous pouvons alors faire le même constat que dans la modélisation du réseau actuel à savoir que les pressions sont négatives lorsque les canons à neige ne fonctionnent pas, puisque les pompes assurant les surpressions sont coordonnées avec le démarrage des canons. Rappelons que cette pression négative signifie uniquement que l'altitude de ce point est supérieure à celle de la retenue, puisque dans la situation où les canons sont arrêtés, le réseau d'adduction est vidangé afin de limiter le risque de gel. À l'inverse, lors des plages de fonctionnement des canons, les pompes de mettent en marche et la pression minimale de $16$ bars est assurée.

Dans un deuxième temps, nous nous intéressons au point du réseau situé à l'altitude la plus basse, c'est-à-dire le bas de la nouvelle piste. Ce point, situé à $1048$ mètres d'altitude, est très probablement sujet à des problèmes de surpressions puisque la retenue d'altitude est à $2190$ mètres. On choisit alors d'installer des réducteurs de pressions à l'amont de ce canon, pour ne pas avoir de trop fortes pressions qui pourraient détériorer le canon à neige et nuire à son bon fonctionnement.

Figure 7 : Pression au point NouvelleB

 

Tout d'abord, on observe que cette fois-ci, la pression lorsque les canons sont en marche, la pression est inférieure au cas où les canons sont à l'arrêt. Cela s'explique par le fait qu'il n'y a pas de pompes dans cette branche du réseau et que les différentes prises d'eau situées à l'amont abaissent la pression.

Par ailleurs, on observe l'effet des réducteurs de pression puisque la pression reste constamment inférieure à la différence d'altitude entre la prise d'eau au niveau du canon à neige et le réservoir.

Choix 2

Comme pour le premier choix, le modèle initial est modifié afin de correspondre au deuxième choix, lui aussi présenté dans les hypothèses d'agrandissement. On observe en particulier que la nouvelle piste est présente dans les deux modèles.

Figure 1 : Nouveau réseau correspondant au choix n°2

 

Une fois encore, nous avons du ajouter des clapets qui empêchent l'eau de circuler dans plusieurs sens au sein d'un même tuyau, ainsi qu'une pompe assurant une pression suffisante au point DrailleH, situé à la même altitude que le réservoir. La pompe doit donc permettre d'élever la pression d'une valeur nulle à une valeur de $16$ bars, tout en compensant les pertes de charge linéaire dans le tuyau d'amenée. De même que précédemment, chaque réservoir alimente une partie des canons à neige comme le montre la figure ci-dessous :

Figure 2 : Répartition de l'eau dans le choix n°2

 

Le nombre de canons alimentés par chaque réservoir est le même que dans le premier choix. Ainsi, les niveaux d'eau dans chacun des réservoirs sont identiques à ceux présentés précédemment. Nous avons volontairement choisi de fixer ce nombre afin que la décision entre les deux solutions ne se fasse pas sur le critère du manque d'eau mais sur des critères écologiques présentés ici ou encore économiques. Il est cependant important de vérifier que la pression en tout point du réseau est acceptable. Nous choisissons de ne présenter les résultats qu'au bas de la nouvelle piste, en NouvelleB, et au plus haut point ajouté au réseau, DrailleH.

Tout d'abord, nous vérifions que l'eau parvient bien au point DrailleH du réseau, situé à la même altitude que le réservoir mais dont le tronçon d'amené est équipé d'une pompe. On observe ceci :

Figure 3 : Consommation au point DrailleH

 

La consommation est bien celle attendue par définition du modèle de consommation et l'eau parvient donc au canon à neige placé en haut de la piste Draille. Il est maintenant important de vérifier que l'eau y parvient avec une pression supérieure à $16$ bars.

Figure 4 : Pression au point DrailleH

 

Comme attendu, on trouve une pression nulle lorsque les canons à neige (et donc la pompe) sont à l'arrêt. Lorsque la pompe se met en marche, l'eau arrive sous une pression de 35 bars, nettement supérieure au minimum requis. Nous avons fait ce choix car une pression supérieure permet d'avoir un fonctionnement optimal des enneigeurs, et car le réseau d'eau se divise en deux branches au point DrailleH, ce qui réduit la pression aux points suivants.

Enfin, il est important de veiller dans ce cas aussi à ne pas dépasser la pression maximale autorisée, quelque soit le canon à neige considéré. On s'intéresse alors au point le plus critique, c'est à dire celui placé à l'altitude la plus faible, NouvelleB. On obtient :

Figure 5 : Pression au point NouvelleB

 

L'analyse de ces résultats est strictement la même que pour le choix n°1 présenté en page précédente. Des réducteurs de pressions ont également du être installés pour compenser la trop grande différence d'altitude entre le réservoir et ce point.

 

Nous allons désormais devoir retenir l'une des deux solutions présentés, en nous appuyant sur les recommandations du binôme chargé des impacts environnementaux ainsi que sur une étude économique présentée en page suivante.

Étude de coûts

Dans cette dernière partie, nous allons tenter de chiffrer le coût global du projet d'agrandissement. Pour cela, nous tiendrons compte de :

Ces deux éléments ont été réalisés par d'autres binômes et nous mènerons donc l'étude en collaboration avec eux. En ce qui concerne le travail autour de l'aménagement du domaine skiable, il sera important de prendre en compte :

  • L'achat des canons à neige
  • L'installation de nouvelles canalisations (conduites et tranchées)
  • Les équipements annexes du réseau (pompes, vannes, limiteurs de pression)

Dans un dernier temps, nous tenterons de chiffrer le coût énergétique de cet agrandissement :

  • Besoin en eau supplémentaire
  • Électricité assurant le fonctionnement

Par ailleurs, nous chercherons à quantifier les bénéfices apportés par cet agrandissement afin d'étudier la rentabilité d'un tel investissement.

Tout d'abord, il est nécessaire de convertir la puissance hydraulique de nos pompes en puissance électrique. Pour cela, on considère un rendement moyen de 60 % entre l'hydraulique et l'électrique. On aboutit donc aux valeurs suivantes :

Tableau 1 - Puissances électrique et hydraulique pour les pompes supplémentaires

Équipement

Pompe Choix 1 Pompe Choix 2 Pompe Retenue

Puissance hydraulique (kW)

200 250 450

Puissance électrique (kW)

330 420 750

La puissance électrique est celle à prendre en compte pour l'achat du matériel et pour les consommations énergétiques.

Ensuite, nous avons calculé la puissance globale consommée par les canons à neige. En moyenne, un canon à neige de type Borax, consomme 20 kW (pour le compresseur, la turbine et le chauffage qui composent le canon). Étant donné que l'on ajoute 42 canons à neige dans chacun des deux scénarios, cela correspond à une puissance totale de 840 kW.

On aboutit ainsi à la puissance requise, et donc, connaissant les temps de fonctionnement de chacun des ces éléments, à l'énergie nécessaire :

Tableau 2 - Énergie totale requise

Équipement

Temps d'utilisation Puissance Énergie

Pompe de remplissage de

la nouvelle retenue

600 heures 750 kW 450 MWh

Pompe de surpression du choix 1

90 heures 330 kW 29.7 MWh

Pompe de surpression du choix 2

90 heures 420 kW 37.8 MWh

Canons à neige

90 heures 840 kW 75.6 MWh

 

Coût d'installation :

Le tableau ci-dessous présente les coûts pour l'agrandissement du domaine skiable pour les deux scenarii que nous avons développés dans les parties précédentes.

Tableau 3 - Évaluation des coûts

 

Sur la quantité des nouveaux matériels à apporter au réseau, nous pouvons voir que le choix 2 nécessite plus de canalisations (environ 1000 mètres supplémentaires). Cela est dû au fait que nous avons raccordé le haut de la piste Draille à l'ancien réservoir et non au réseau existant. De plus, pour enneiger la nouvelle piste créée, il a fallu amener l'eau jusqu'en haut de cette piste. Le choix 1, quant à lui, nécessite des pompes plus puissantes afin de permettre une pression de 16 bars en tout point du réseau.

En conclusion les deux choix d'enneigement pour les pistes représentent un fort investissement d'environ 2 millions d'euros qui est très conséquent pour une petite commune telle que Puy-Saint-Vincent. Pour palier à ce prix élevé, la commune pourrait prévoir d'enneiger seulement quelques pistes et non pas toutes les pistes que nous avons citées.

Note : Les prix indiqués dans le tableau 1 ne peuvent pas prendre en compte tous les aménagements à faire. On peut donc avoir ainsi seulement un ordre de grandeur des coûts envisagés pour l'agrandissement.

 

Coût de fonctionnement :

Les coûts de fonctionnement induits par cet agrandissement concerne le coût de l'alimentation électrique à fournir pour les canons à neige et les diverses pompes. A noter qu'il n'y a pas de coûts pour le remplissage de la nouvelle retenue puisque l'eau puisée appartient déjà à la commune de Puy-Sainy-Vincent.

  • Alimentation électrique

Avec EDF, il existe différents tarifs pour les professionnels. Le tarif bleu qui correspond à des entreprises ayant peu d'installations électriques et le tarif jaune pour des entreprises qui ont une plus importante consommation en électricité. Au vu de la consommation des canons à neige et des pompes, le tarif jaune semble être le plus approprié.

Sur le site d'EDF nous pouvons alors regarder les tarifs pour le tarif jaune. Ce tarif est composé d'une cotisation annuelle et d'une facture au kWh variant en fonction de la saison et des heures de la journée. 

Le prix observé pour une consommation en hiver en heures creuses est le suivant : 6,692 centimes par kWh. A noter que dans le cas d'une consommation en hiver en heures pleines le prix passe alors à 9,925 centimes par kWh.

Les canons supplémentaires installés et de la pompe amenant l'eau sous pression aux canons fonctionnent sur une durée totale de 90 heures en heures creuses . Le coût de fonctionnement pour les canons à neige et la pompe associé est alors de 7600€ par an pour le choix 1 et de 7050 € par an pour le choix 2.

La pompe alimentant le nouveau réservoir apporte une quantité totale de 150 000 $m^3$ avec un débit fixe de $250m^3$ et fonctionne uniquement en heures creuses. Ainsi la pompe supplémentaire alimentant le réservoir fonctionne durant 600 heures pour un coût de 31 000 € par an.

Là encore les deux choix sont du même ordre de grandeur même si le choix 1 reste à un coût un peu plus élevé. Il semble normal que les coûts de fonctionnement soient du même ordre de grandeur puisque nous avons cherché à enneiger une surface de piste supplémentaire et non pas un nombre de pistes supplémentaires.

En conclusion, le projet est un projet coûteux qui peut cependant être amorti à moyenne durée (environ 30 ans). En effet, la construction de nouveaux logements et la nouvelle attractivité de la station lui permettra de faire face à l'augmentation des touristes pendant la saison hivernale.

Etude des besoins en eau potable

Cette partie, réalisée par le binôme 3, traite des ressources et des besoins en eau potable de la commune de Puy-Saint-Vincent.

L'étude présentée ci-après se décline en quatre étapes :

  • Hypothèse d'agrandissement du parc touristique afin de déterminer le nombre de lits supplémentaires pouvant être envisagé.
  • Étude de la consommation et du réseau de distribution d'eau potable actuel.
  • Étude des besoins en eau potable supplémentaires pour satisfaire l'augmentation des logements touristiques et de l'impact sur le réseau de distribution actuel.
  • Dimensionnement d'une station de production d'eau potable.

Hypothèse d'agrandissement du parc touristique

Objectif : Cette partie à pour but de faire le bilan sur les capacités d'accueil existantes en terme de logement et les possibilités d'agrandissement du parc touristique sur la commune du Puy Saint-Vincent.

Les dernières données à notre disposition sur les résidences principales, secondaires et touristiques sont rassemblées dans le dossier SIEE PACA 02 09 03 (Schéma Directeur d'Alimentation en Eau Potable de la commune du Puy-Saint-Vincent de 2003 : /travaux/bei/beiere/sites/default/files/users/orobin/sch%C3%A9ma%20am%C3%A9nagement%20REP%202003.pdf). Ces informations constitueront la base des hypothèses réalisées pour l'agrandissement de la station et la construction de la nouvelle usine de production d'eau potable.

Capacité d'accueil actuelles : 

Le tableau ci-dessous indique la capacité d'accueil de la commune (Tableau 1). 

Tableau 1 - Capacité d'accueil de la commune du Puy-Saint-Vincent (source: INSEE et Observatoire Départemental du Tourisme (05))
Mode d'accueil Nombre  Capacité d'accueil (personnes)
Hôtel 4 292
Chambre d'hôtes 18 80
Résidence de tourisme 1 352
Tourisme associatif 1 659
Meublés 1008 3922
Camping 1 219
Résidences secondaires 978 4748
Résidences principales 127 300
TOTAL 2138 10572

D'après l'office du tourisme, 35% des lits touristiques sont sur la station 1400 soit 3700 lits et 65% sur la station 1600 soit 7000 lits.

Prévisions d'agrandissement de l'offre touristique : 

Lors de la rédaction du dossier SIEE PACA AE (02/09/2003), des projets immobiliers représentant 2000 lits supplémentaires étaient en cours d'élaboration, ce qui allait porter la capacité d'accueil de la station 1600 à 9000 lits.

De plus, il est indiqué que la station 1600 dispose d'une grande surface libre pouvant accueillir à long terme au moins 3000 lits supplémentaires. D'autres hameaux voisins ont aussi la possibilité de recevoir de nouvelles habitations. La carte ci-dessous indique les lieux ou de nouvelles constructions ont la possibilité d'émerger : 

Au total, environ 4000 lits auraient la possibilité d'être ajoutés au parc touristique actuel. En revanche, un tel projet va solliciter la production d'une quantité d'eau potable supplémentaire par la commune et nécessiter un aménagement du réseau d'adduction en eau potable (AEP). C'est dans ce cadre que s'inscrit notre étude technique.


Hypothèse d'agrandissement du parc touristique :

3900 lits supplémentaires dont :

- 3000 lits sur la station 1600

- 600 lits à Puy Saint-Vincent, les Près, les Alberts

- 300 lits à Pré Sabeyran, Prey d'Aval


Afin de permettre à la commune d'étendre son offre touristique, nous allons dans un premier temps nous intéresser à la ressource en eau actuellement sollicitée pour la production d 'eau potable, puis dans un second temps une nouvelle station de production d'eau potable sera dimensionnée.  

 

 

 

Ressources, distribution et consommation en eau potable actuelles

Objectif : Cette partie a pour but de décrire l'acheminement de l'eau de la station de captage située à la source des Mondes jusqu'aux lieux de consommation. La finalité de celle-ci est de présenter le bilan actuel en comparant la quantité maximale d'eau qu'il est autorisée de prélever en accord avec l'arrêté préfectoral en cours et les besoins de la commune du Puy Saint-Vincent au moment le plus fréquenté de l'année. 

Captage pour l'adduction d'eau potable :

La source des Mondes représente actuellement la ressource principale d'eau potable de la commune du Puy Saint-Vincent. Par la suite, il sera considéré que la totalité de l'eau potable acheminée aux consommateurs de la commune provient de cette source. 

L'arrêté préfectoral du 26/12/2011 modifiant celui du 12/12/2003 autorise la commune du Puy Saint-Vincent à prélever un volume maximal de 144 m3/h soit 3456 m3/jour dans la source des Mondes.

Réservoirs de stockage pour la distribution d'eau potable : 

La commune est équipée au total de 5 réservoirs d'une capacité de 500 m3 chacun avec un volume de réserve incendie obligatoire de 100 m3​. Seulement un de ces réservoirs est alimenté directement par la source des Mondes, il s'agit du réservoir 1600. Les autres réservoirs sont alimentés par gravité à partir du trop plein de celui-ci, à l'exception du réservoir 1800 situé à une altitude supérieure et qui est de ce fait alimenté à l'aide d'un surpresseur de manière à être toujours rempli au maximum de sa capacité (Figure 1, Figure 2). 

Figure 1 - Schéma du réseau de réservoirs de stockage d'eau potable de la commune du Puy Saint-Vincent

 

Figure 2 - Localisation des réservoirs de stockage d'eau potable de la commune du Puy Saint-Vincent sur une carte IGN (source : géoportail)

Distribution et consommation d'eau en période de pointe : 

  • Besoins en eau en 2003 en période de pointe :

D'après une campagne de mesure réalisée en période de pointe entre le 18/02/2003 et le 24/02/2003, les volumes maximaux d'eau distribués par chaque réservoir par jour sont rapportés dans le tableau 1 (source : schéma directeur d'alimentation en eau potable de la commune du Puy Saint-Vincent). On constate que seulement 54% de l'eau captée dans la source des Mondes est utilisée pour la consommation humaine. Le reste du volume se divise entre les fuites dans le réseau de distribution (28%) et les fontaines et vidanges (18%). 

Tableau 1 - Volumes d'eau journaliers distribués en période de pointe en 2003 (capacité d'accueil de 10500 lits) :
  Volume distribué Volume de fuite Volume fontaines et vidange Volume consommé
Réservoir 1800 185 m3 0 m3 (0%) 0 m3 (0%) 185 m3 (100%)
Réservoir 1600 758 m3 259 m3 (35%) 34 m3 (4%) 465 m3 (61%)
Réservoir 4 places 270 m3 59 m3 (22%) 154 m3 (57%) 57 m3 (21%)
Réservoir Saint Vincent et les Près 786 m3 248 m3 (32%) 178 m3 (23%) 360 m3 (45%)
TOTAL 1999 m3 566 m3 (28%) 366 m3 (18%) 1067 m3 (54%)

Lors de la campagne de mesure, la capacité d'accueil était de 10500 lits, ce qui revient à une consommation moyenne de 120 L/j/personne si on considère un taux de remplissage de la station de 85% : 

$$Consommation = \frac{volume\;consommé\;par\;jour\;en\;litre}{0,85*\;nombre\;de \;consommateur}$$

$$Consommation = \frac{1067*10^{3}}{0,85*10500}=120 \;L/j/personne$$

  • Besoin en eau actuel en période de pointe :

Lors de la campagne de mesure, deux projets immobilier en cours de construction allaient augmenter la capacité d'accueil de la station 1600 de 2000 lits. Les besoins en eau de ces structures doivent donc être ajoutés à ceux établis lors de la campagne de mesure. 

Sur la base de la consommation journalière de 120 L/j/personne déterminée précédemment, la quantité d'eau journalière maximale requise par une structure d'une capacité d'accueil de 2000 lits est :

$$V_{à\;consommer}=2000*120=240\;m^3$$

Ce volume est a rajouter aux 465 m3 d'eau consommée à partir du réservoir 1600. Le réseau de distribution correspondant ayant un rendement de 65% (soit un débit de fuite représentant 35% du débit de distribution), la quantité d'eau supplémentaire à capter est la suivante : 

$$V_{à\;capter}=\frac{V_{à\;consommer}}{0,65}=\frac{240}{0,65}=370\;m^3$$


Le volume journalier d'eau potable actuellement nécessaire en période de pointe est de :

$$V_{pointe\;à\;capter}=1999+370 = 2369 \;m^3$$

soit 70% du volume maximal autorisé par l'arrêté préfectoral du 26/12/2011


  • Variation de volume journalière dans le réservoir 1600 : 

La consommation en eau potable varie grandement au cours d'une journée. Par manque de données sur le réseau actuel, une estimation de la répartition de la consommation sur 24 heures a été faite. Le réservoir de la station 1600 étant le carrefour principal du réseau (Figure 1), un bilan a été fait afin de déterminer la variation du volume dans celui-ci au cours de la journée. 

Figure 3 - Bilan sur le réservoir 1600

Le débit d'alimentation du réservoir Qa est constant alors que les débits de sortie Q1, Q2 et Q3 varient au cours du temps en fonction de la consommation en eau potable. En revanche, sur une journée on a :

$$V_a=V_1+V_2+V_3$$

L'estimation de la répartition des débits de consommation Q1, Q2 et Q3 en fonction du temps est reportée dans le tableau ci-dessous :

Tableau 2 - Estimation de la répartition de la consommation en eau sur 24 heures
Plage horaire Q1 (m3/min) Q2 (m3/min) Q3 (m3/min)
00:00 - 06:00 0,172  0,161  0,028 
06:00 - 10:00 1,504  1,408  0,247 
10:00 - 16:00 0,564  0,528  0,093 
16:00 - 22:00 1,253  1,173  0,206 
22:00 - 0:00 0,423  0,396  0,069 

Au temps t on a :

Débit d'entrée constant : $Q_a=\frac{V_a}{24*60}=1,645\;m^3/min$

Débit de sortie variant : $Q_{s\;t}=Q_{1\;t}+Q_{2\;t}+Q_{3\;t}$

La variation de volume dans le réservoir 1600 peut s'écrire :

$$\Delta V=Q_a.\Delta t - Q_{s\;t}.\Delta t$$

Au temps t le volume dans le réacteur est :

$$V_t = V_0+V_{t-1}+V_{a\;t}-V_{s\;t}$$

Avec : V volume dans le réservoir, Va volume entrant dans le réservoir, Vs volume sortant du réservoir, V0 le volume d'eau initialement présent dans le réservoir servant de réserve en cas d'incendie.

La courbe de variation du volume d'eau dans le réservoir a été tracée à partir de la répartition des débits de consommation dans le temps et des équations ci-dessus :

Figure 4 - Estimation du volume d'eau dans le réservoir 1600 au cours d'une journée (T0 = 00:00)

On constate que le volume dans le réservoir dépasse sa capacité maximale entre 5:00 et 7:00 ce qui entraîne un débordement (Figure 4). De plus, le volume minimum obligatoire de réserve incendie n'est pas respecté entre 20:30 et 00:00. Les incertitudes liées à l'estimation de la consommation journalière sont sans doute à l'origine de ces constatations. 

 

 

Hypothèse sur les besoins en eau potable supplémentaires

Objectif : Cette partie a pour but de définir les besoins en eau supplémentaires engendrés par l'agrandissement du parc touristique définis précédemment et de dimensionner le volume du réservoir de stockage à partir duquel sera alimenté les nouveaux logements.

Volume d'eau potable supplémentaire :

L'agrandissement du parc touristique entraînerait la mise à disposition d'environ 4000 lits supplémentaires, avec une consommation journalière de 120 litres par lit.

Volume journalier d'eau potable supplémentaire à distribuer : 

$$V_{supplémentaire}=480\;m^3$$

Au vu de la localisation des nouveaux logements, l'eau sera acheminée au niveau de la station 1600 puis distribuée par gravité à partir d'un réservoir. Le réseau de distribution d'eau potable de la station 1600 ayant un rendement de 65%, le volume d'eau supplémentaire à acheminer sera de :

$$V_{supplémentaire\;à\;acheminer}=\frac{480}{0,65}=740\;m^3$$

Deux solutions sont possibles :

- capter l'eau dans la source des Mondes :

Le volume capté actuellement en période de pointe représente 70% du volume maximal autorisé par l'arrêté préfectoral de 2011. En prévision d'une révision future de cet arrêté, il a été décidé de ne pas étudier cette possibilité. 

- produire de l'eau potable à partir d'une nouvelle ressource en eau :

C'est la solution qui a été envisagée dans ce projet. L'eau sera pompée dans une nouvelle retenue collinaire (axe de travail du binôme 1) qui sera aussi utilisée pour l'extension du réseau d'enneigement artificiel de la station de ski du Puy Saint-Vincent (axe de travail du binôme 2). Le volume supplémentaire à acheminer de 740 m3 par jour correspond à un débit moyen de 30 m3/h. La station de traitement sera dimensionnée sur la base d'un débit de production de 35 m3/h soit 840 m3/jour.

 

Dimensionnement du réservoir de stockage ''Réservoir 1600 bis '' : 

Le bilan sur le réservoir 1600 actuellement présent montre qu'aucun volume supplémentaire ne peut transiter par celui-ci. Il faudra donc prévoir un nouveau réservoir de stockage, nommé "réservoir 1600 bis".

Tableau 1 - Estimation de la répartition de la consommation en eau du réservoir 1600 bis sur 24 heures
Plage horaire Q (m3/min)
00:00 - 06:00 0,128
06:00 - 10:00 1,120
10:00 - 16:00 0,420
16:00 - 22:00 0,933
22:00 - 00:00 0,315

En considérant une répartition de la consommation en eau au cours de la journée similaire à celle du réservoir 1600 (Tableau 1), on obtient la variation de volume suivante dans le réservoir 1600 bis (Figure 1):

Figure 1 - Estimation du volume d'eau dans le réservoir 1600 bis au cours d'une journée (t0 = 00:00)

Comme dans le réservoir 1600, le volume minimal obligatoire de réserve incendie de 100 m3 n'est pas respecté entre 20:30 et 00:00. Afin de maintenir ce volume minimum durant toute la journée, il faudrait un volume initial de 150 m3 dans le réservoir. Dans l'idéal, le volume du nouveau réservoir devra être de 300 m3.

Dimensionnement de la station de production d'eau potable

Dans cette partie seront présentées les différentes étapes de traitement nécessaires à la potabilisation de l'eau de la retenue pour répondre aux besoins en eau potable supplémentaires déterminés précédemment. Le dimensionnement se base sur une production horaire de 35 m3​ durant les 4 mois de l'année où la commune accueille un nombre important de touristes (de Décembre à Mars). Le projet de construction de cette nouvelle usine se base sur une usine implantée par OTV sur la commune de Courchevel (lien : /travaux/bei/beiere/sites/default/files/users/orobin/plaquette_usine_eau_potable.pdf)

La filière de traitement envisagée est composée de 3 étapes :

- Pré-traitement : filtration lente sur sable

- Traitement principal : filtration membranaire 

- Désinfection

Ne connaissant pas la composition exacte de l'eau, deux procédés de filtration membranaire seront étudiés : l'ultrafiltration et la nanofiltration.

​Pour chaque étape de traitement, la méthodologie utilisée pour le dimensionnement sera explicitée afin de pouvoir servir de support à une quelconque étude, puis les résultats relatifs au dimensionnement de la nouvelle station de production d'eau potable de la commune du Puy Saint-Vincent seront présentés. 

Figure 1 - Schéma simplifié de la filière de traitement envisagée 

 

 

Filtre à sable

Le filtre à sable va servir de pré-traitement afin d’éliminer les éventuelles matières en suspension qui pourraient entrainer un colmatage rapide des membranes de filtration qui constituent l’étape principale de la filière envisagée. Le média filtrant est constitué de particules de nature et de granulométrie à déterminer en fonction de l'objectif de filtration.  

Schéma d'un filtre à sable

Figure 1 - Schéma d'un filtre à sable

 

Au fur et à mesure de la filtration, les particules retenues vont entrainer un colmatage du lit et donc une augmentation des pertes de charges et une perte de l'efficacité de filtration. A partir d'une certaine perte de chage, une phase de rétrolavage va s'imposer. 

La phase de rétrolavage consiste à fluidiser le lit de sable par l'injection d'eau et d'air à contre-courant. La fluidisation entraîne l'expansion du média filtrant et donc la séparation des particules et l'augmentation de la porosité du milieu. Les petites particules retenues dans le média filtrant durant la phase de filtration ayant une vitesse de sédimentation (ou vitesse terminale de chute libre) inférieure à celle des grains de sable sont emportées à la surface. L'eau de lavage chargée de ces particules en suspension est récupérée par une goulotte située au dessus du lit de sable. 

 

Méthodologie

Méthodologie utilisée pour dimensionner l'unité de filtration lente sur sable :

1) Fixer le débit de production souhaité

2) Calculer la surface de lit nécessaire en fonction de la vitesse de filtration (ou vitesse en fût vide) et du débit souhaité selon la formule suivante : 

$$U=\frac{Q}{S}$$

3) Déterminer le régime d'écoulement dans le milieu poreux avec le calcul du nombre de Reynolds particulaire :

$$Re_p=\frac{\rho * U * d_p}{\mu}$$

4) Calculer les pertes de charge engendrées par le filtre à sable selon la méthode adaptée au régime d'écoulement. La relation d'Ergun permet de calculer la perte de charge quelque soit le régime d'écoulement :

$$\frac{\Delta P}{L}= \frac {150*(1-\epsilon)^2*\mu*U} {\epsilon^3*d_p^2} + \frac {1,75*(1-\epsilon)*\rho*U^2} {\epsilon^3*d_p}$$

 

Méthodologie utilisée pour déterminer les conditions de rétrolavage :

1) Déterminer la vitesse de sédimentation du média filtrant. Celle-ci peut être calculée avec la relation simplifiée de Haider et Levenspiel valable en régime laminaire et turbulent :

$$U_t=U_t^* * (\frac{\rho_f^2}{\mu_f*(\rho_p-\rho_f)*g})^{-1/3}$$

Avec :

$$U_t^*=(\frac{18}{d_p^{*2}}+\frac{2,335-1,744*\phi}{d_p^{*0,5}})^{-1}$$

$$d_p^* = Ga^{1/3}$$

$$Ga=\frac{d_p^3*\rho_f*(\rho_p-\rho_f)*g}{\mu_f^2}$$

2) Déterminer le débit d'eau et d'air de lavage sachant que la vitesse ascendante de l'eau doit doit être égale à approximativement 10% de la vitesse de sédimentation du média filtrant (Hubert Cabana, 2013) :

$$Q = 0,1* U_t * S_{lit}$$

3) Déterminer la perte de charge engendrée par le média filtrant. Celle-ci est égale à la masse de média présent dans le lit :

$$\Delta P = L*g*(1-\epsilon_{lit})*(\rho_p-\rho_f)$$

4) Fixer la durée et la fréquence des phases de rétrolavage en fonction de la qualité de l'eau à traiter

5) Déterminer le volume d'eau nécessaire à la phase de rétrolavage :

$$V=Q_{eau} * t_{rétrolavage}$$

 

Méthodologie utilisée pour le dimensionnement des pompes :

La méthodologie est développée ici

Dimensionnement

Schéma simplifié du procédé de filtration sur lit de sable :

Figure 1 - Schéma simplifié de l'étape de filtration lente sur sable

 

Caractéristiques du média filtrant et conditions opératoires :

Le média filtrant choisit est composé de grains de sable sphériques d'une granulométrie homogène. 

Tableau 1 - Propriétés du lit de filtration
Diamètre moyen des particules de sable (dp) 1 mm
Masse volumique du sable ($\rho$) 2610 kg/m3
Facteur de forme des particules de sable ($\phi$) 1
Porosité initiale du lit ($\epsilon$) 0,4
Vitesse de filtration (U) 10 m/h
Débit de production (Q) 35 m3/h

 

Dimensionnement du filtre à sable et conditions opératoires :

Méthodologie : http://hmf.enseeiht.fr/travaux/bei/beiere/content/2015/methodologie

Le débit de production souhaité est de 35 m3/h et la vitesse de filtration a été fixée à 10 m/h. La surface de lit nécessaire est donc de 3,5 m2Trois unités de filtration sur sable schématisé ci-dessous sont envisagées (Figure 2). Chacune devra donc produire 12 m3/h et disposer d'une surface filtrante de 1,2 m2​, soit un diamètre de 1,24 m en considérant la section circulaire.

Figure 2 - Dimension d'un filtre à sable

D'après la relation d'Ergun et dans les conditions opératoires fixées, la perte de charge dans le filtre à sable est estimée à 0,036 bar par mètre de profondeur de lit filtrant. Sachant qu'une pression de 1 bar correspond à la force exercée par une colonne d'eau de 10 mètres, elles seront compensées par une hauteur d'eau de 36 cm au dessus du lit de sable. 

Cependant, cette perte de charge n'est pas constante dans le temps. Elle augmente avec le colmatage engendré par les particules en suspension retenues dans le média filtrant. Dans une première approximation, nous estimons que le colmatage entraîne une diminution de la porosité du média filtrant et que d'après la relation d'Ergun la perte de charge dans le milieu filtrant augmente lorsque la porosité diminue. Le graphe ci-dessous représente cette approximation (Figure 3) :

Figure 3 - Variation de la perte de charge dans le lit en fonction de la porosité

On va considérer qu'à partir d'une certaine perte de charge une phase de rétrolavage du filtre à sable débutera. Le cycle peut être automatisé en installant un capteur de niveau dans le filtre à sable. Le rétrolavage débutera lorsque la hauteur d'eau au dessus du filtre à sable atteindra 0,8 mètres. Cette valeur est fixée par une consigne.

 

Dimensionnement de la phase de rétrolavage :

Méthodologie : http://hmf.enseeiht.fr/travaux/bei/beiere/content/2015/methodologie

Le rétrolavage sera effectué au moyen d'une injection successive d'air et d'eau à contre-courant dans le lit de filtration. Les caractéristiques physico-chimiques de ces fluides nécessaires au dimensionnement de cette étape sont reportées dans le tableau 2.

Tableau 2 - Paramètres physico-chimiques de l'eau et de l'air à 5°C
masse volumique de l'eau à 5°C ($\rho_f$) 1000,2 kg/m3
masse volumique de l'air sec à 5°C ($\rho_f$) 1,27 kg/m3
viscosité de l'eau à 5°C ($\mu_f$) 1,48.10-3 Pa.s
viscosité de l'air sec à 5°C ($\mu_f$) 1,85.10-5 Pa.s
  • Vitesse de sédimentation du média filtrant :

D'après la relation simplifiée de Haider et Levenspiel, les vitesses de sédimentation du média filtrant dans l'eau et l'air sont :

$$U_t (eau)=9,6 m/min$$

$$U_t (air)=1380 m/min$$

  • Débit d'eau et d'air de lavage :

Le débit d'eau et d'air de lavage nécessaire au rétrolavage sont donc :

$$Q (eau)=1,21 m^3/min$$ soit 73 m3/h

$$Q (air)=167 m^3/min$$ soit 10020 m3/h

  • Perte de charge engendrée par le média filtrant :

On fait l'hypothèse que la phase de rétrolavage démarre lorsque la perte de charge dans le média filtrant entraine une hauteur d'eau de 0,8 m au dessus du lit de sable. D'après la figure 3, cette perte de charge est atteinte lorsque la porosité est égale à 0,33.

La perte de charge à contre -courant dans le lit de sable est égale à la masse de média filtrant présent, soit 10582 Pa, soit environ 10 mètres d'eau.

  • Durée et fréquence des phases de rétrolavage :

La durée d'une phase de rétrolavage est fixée à 10 minutes avec une première injection d'air pendant 4 minutes suivie d'une injection d'eau pendant 6 minutes. On suppose qu'un rétrolavage tous les 2 jours est suffisant à maintenir une perte de charge raisonnable dans le filtre à sable. Des essais laboratoires permettraient de déterminer ces paramètres plus précisément en fonction du pouvoir colmatant de l'eau brute.

  • Volumes d'eau et d'air nécessaires :

Les volumes d'eau et d'air nécessaires à une phase de rétrolavage sont :

$$V (eau) = 7,3 m^3$$

$$V (air) = 668 m^3$$

Sur une base de 3 rétrolavages par semaine, le volume d'eau utilisé est de 24 m3 par filtre à sable, soit 72 m3 pour les 3 unités. Sachant que la production d'eau potable est de 5880 m3 par semaine, le volume d'eau de lavage nécessaire représente 1,3% de la production. L'eau de lavage est prélevée dans le réservoir d'eau filtrée situé directement en aval des filtres à sable. Elle est ensuite rejetée dans le milieu naturel. 

 

Dimensionnement des pompes :

Méthodologie : http://hmf.enseeiht.fr/travaux/bei/beiere/content/2015/methodologie-0

L'unité de filtration lente sur sable est composée de deux pompes centrifuges, l'une pour l'alimentation (P1, Figure 3), l'autre pour la phase de rétrolavage (P2, Figure 4).

  • Pompe d'alimentation :

L'eau entrant dans l'usine provient d'un premier réservoir de stockage R0 rempli par la retenue collinaire. Une pompe centrifuge P1 alimente les 3 filtres à sable à un débit de 35 m3/h et à pression atmosphérique. On peut imaginer que cette pompe puisse mettre l'eau sous pression si une filtration rapide est souhaitée. L'eau percole à travers le lit de sable puis est acheminée jusqu'à un second réservoir de stockage R1.

Figure 4 - Schéma et dimensions du réseau d'alimentation des filtres à sable

Le diamètres des conduites est de 0,111 mètres avec une rugosité de 0,015 mm, la vitesse de l'eau dans celles-ci est de 1 m/s.

Tableau 3 - Caractéristique du réseau d'alimentation du filtre à sable
  Aspiration Refoulement
Hga 0,8 m  
Hgp   2,8 m
L conduite  1 m 4,4 m
Installations hydrauliques et contraintes

- 1 vanne

($\Delta H=0,09 m$)

- 1 vanne

- 2 coudes 90°

($\Delta H = 2*0,009 m)

- PB = Patm

$\Delta H_{totale}$ 0,085 m 0,28 m

Par application du théorème de Bernouilli entre les point A et B, on détermine que la pression au point A (sortie de la pompe) doit être de 1,04 bar, ce qui montre que les pertes de charge sont négligeables. 

D'après les caractéristiques du réseau d'alimentation (Tableau 3), la pompe P1 sera choisit pour respecter les conditions suivantes (Tableau 4) :

Tableau 4 - Caractéristiques à respecter par la pompe P1
  Pompe P1
Hmt  2,4 m
NPSHdisponible 10,2 m
Putile 0,3 kW
  • Pompe de rétrolavage :

Un capteur de niveau permet de détecter la hauteur d'eau au dessus du filtre à sable. Lorsque celle-ci atteint 0,8 mètre, la pompe P1 est stoppée et la phase de rétrolavage débute.

La pompe centrifuge P2 sert donc à entraîner l'eau filtrée du réservoir R1 à contre-courant à travers le filtre à sable.

Figure 5 - Schéma et dimensions du réseau de rétrolavage des filtres à sable

Tableau 5 - Caractéristiques du réseau de rétrolavage des filtres à sable
  Aspiration Refoulement
Hga 0,8 m  
Hgp   2,8 m
L conduite 1 m 12,8 m
Installations hydrauliques et contraintes - 1 vanne

- 1 vanne

- 2 coudes 90°

- le lit de sable

($\Delta H = 10 m$)

- PB = Patm

$\Delta H_{totale}$ 0,1 m 10,4 m

Par application du théorème de Bernouilli entre les point A et B, on détermine que la pression au point A (sortie de la pompe) doit être de 2,31 bar afin de vaincre les pertes de charge engendrées majoritairement par le poids du lit de sable.

D'après les caractéristiques du réseau d'alimentation (Tableau 5), la pompe P2 sera choisit pour respecter les conditions suivantes (Tableau 6) :

Tableau 6 - Caractéristiques à respecter par la pompe P2
  Pompe P2
Hmt  12,5 m
NPSHdisponible 10,9 m
Putile 2,5 kW

Filtration membranaire

Les procédés de filtration membranaire permettent de clarifier et désinfecter l'eau en une seule étape sans ajout de composés chimiques. La force motrice de ce type de procédé est la pression du liquide à traiter. L'eau pressurisée entre dans le module et traverse la barrière physique que constitue la membrane. Les membranes d'ultrafiltration sont constituées de pores d'un diamètre d'environ 0,01 micromètres et permettent donc de retenir les colloïdes, les macromolécules organiques, certains composés dissous ainsi que les virus et bactéries. En revanche, si l'eau à traiter contient des ions à éliminer tel que les sulfates (SO42-), il faudra envisager l'utilisation d'une membrane avec des tailles de pores inférieures telle que les membranes de nanofiltration.

Une unité de filtration membranaire peut opérer selon deux modes de filtration, frontale ou tangentielle. En général, la filtration tangentielle est utilisée dans des procédés de production de composés à haute valeur ajoutée, lorsque le pouvoir colmatant de fluide à traiter est important ou dans les procédés mettant en oeuvre la nanofiltration. La forme des membranes peut aussi être différente en fonction de l'application visée. 

Ultrafiltration

Présentation du module d'ultrafiltration :

Dans le cadre de cette étude, la membrane choisie opère en filtration frontale et est composée de fibres creuses (Figure 1). La filtration a lieu de l'extérieur vers l'intérieur, l'eau filtrée sera donc récupérée à l'intérieur des fibres. L'avantage de ce type de membrane est la compacité. 

Figure 1 - Schéma fibres creuses pour l'ultrafiltration, (a) source : Bouchard et al, 2000 ,(b) source : http://www.miraxsupplements.com/fr/content/22-systeme-de-filtration ,(c) source : http://www.elessia.com/fr/explication-du-procede-dultrafiltration.html

Le mode de filtration frontale est caractérisé par une augmentation de la résistance à la filtration au cours du temps engendrée par l'accumulation des particules retenues par la membrane. La membrane peut opérer à pression transmembranaire ou flux de perméat constant. Dans ce projet, la pression transmembranaire sera maintenue constante par la pompe centrifuge d'alimentation et le débit de perméat diminuera au cours d'un cycle de filtration (Figure 2). Une phase de rétrolavage des membranes sera nécessaire entre deux cycles de filtration afin de maintenir un débit de perméat conséquent. 

Figure 2 - Schéma de la la filtration frontale et conditions opératoires (source : thèse Benjamin Espinasse, 2003)

Méthodologie

Méthodologie utilisée pour dimensionner l'unité de filtration fonctionnant en filtration frontale :

Lors du dimensionnement d'une unité de filtration membranaire, des essais en laboratoire sont réalisés sur des pilotes afin de déterminer les paramètres opératoires optimum correspondant à la qualité de l'eau à traiter.

Les paramètres opératoires à déterminer sont :

- la perméabilité initiale de la membrane (J0 en L/(h.m2.bar)) en correspondant au flux de l'eau pure à travers la membrane. Cette valeur est généralement indiquée dans la fiche technique fournit par le constructeur. Il est cependant recommandé de vérifier cette valeur expérimentalement.

- la pression transmembranaire (PTM en bar) de fonctionnement qui représente la force motrice de la filtration. Elle est déterminée par la différence de pression de part et d'autre de la membrane.

- le flux de perméat (Jen L/(h.m2)) au cours du temps à la pression transmembranaire de fonctionnement.

- la durée d'un cycle de filtration correspondant au temps de fonctionnement de la membrane entre 2 rétrolavages. Cette durée est fixée en fonction de l'objectif de production. 

Dans ce projet, ces paramètres ont été fixés en faisant des hypothèses. Un flux de perméat moyen $J_{perméat\;moyen}$ entre 2 rétrolavages à été fixé afin de déterminer la surface filtrante nécessaire pour assurer le débit de production souhaité :

$$S_f=\frac{Q_{perméat}}{J_{perméat\;moyen}} \;en \;m^2$$

 

Méthodologie utilisée pour dimensionner une pompe centrifuge :

Tableau 3 - Liste des paramètres nécessaires au dimensionnement de la pompe d'alimentation et leurs unités
Paramètres unité
Q, débit du fluide dans la conduite m3/s
S, section de la conduite m2
d, diamètre de la conduite m
u, vitesse du fluide dans la conduite m/s
$\Delta H_{linéaire}$, pertes de charge linéaires m
$\Delta H_{singulière}$, pertes de charge singulières m
$\mu$, viscosité du fluide  Pa.s
$\rho$, masse volumique du fluide kg/m3
$\lambda$, coefficient de perte de charge linéaire sans unité
L, longueur de la conduite m
g, accélération de la pesanteur m/s2
$\epsilon$, la rugosité de la conduite  m
$K_S$, le coefficient de perte de charge singulière sans unité
$\alpha$, l'angle de courbure de la conduite  degré
$P_a$, puissance absorbée par la pompe W
$P_u$, puissance utile de la pompe W
$H_{totale}$, hauteur totale m
$\eta$, rendement de la pompe sans unité
Hmt, hauteur manométrique totale de la pompe m
Hga, hauteur géométrique à l'aspiration de la pompe m
Hgp, hauteur géométrique au refoulement de la pompe m
$\Delta H_{totale}$, perte de charge à l'aspiration et au refoulement de la pompe m
$H_h$, charge hydraulique du fluide Pa
$J_{asp}$, perte de charge de la conduite d'aspiration Pa

1) Détermination du diamètre des conduites d'alimentation en fonction du débit et de la vitesse de l'eau souhaitée : 

$$Q=S*u = \pi * \frac{d^2}{4}*u$$

2) Détermination du régime d'écoulement dans les conduites par le calcul du nombre de Reynolds :

$$Re=\frac{\rho*u*d}{\mu}$$

3) Calcul des pertes de charge linéaires et singulières entre A et B :

- Pertes de charge linéaires :

Equation de Darcy-Weisbach :

$$\Delta H_{linéaire} =\frac{\lambda*L*u^2}{d*2*g}$$

Le coefficient de perte de charge $\lambda$ est déterminé par la formule de Colebrook en régime d'écoulement turbulent lisse et rugueux :

$$\frac{1}{\lambda}=-2log_{10}(\frac{\epsilon}{3,71*d}+\frac{2,51}{Re* \sqrt {\lambda}})$$

- Pertes de charge singulières :

$$\Delta H_{singulière}=K_S*\frac{u^2}{2*g}$$

La valeur de KS dépend des singularités à prendre en compte. Par exemple, pour un coude d'angle $\alpha$, la valeur de KS est déterminée comme suit :

$$K_S=sin^2(\alpha)+2*sin^4(\frac{\alpha}{2})$$

4) Détermination de la pression à appliquer par la pompe en appliquant l'équation de Bernoulli entre les points A et B :

$$z_A+\frac{P_A}{\rho*g}+\frac{u_A^2}{2*g}=z_B+\frac{P_B}{\rho*g}+\frac{u_B^2}{2*g}+\Delta H_{linéaire}+\Delta H_{singulière}$$

Avec : 

zi, l'énergie potentielle de position au point i en m.

$\frac{P_i}{\rho*g}$, l'énergie potentielle de pression au point i en m.

$\frac{u_i^2}{2*g}$, l'énergie cinétique du fluide au point i en m.

5) Choix de la pompe et calcul de la puissance à fournir par la pompe :

Figure 1 - Schéma d'une pompe en charge 

- Déterminer la hauteur manométrique totale (Hmt) à développer par la pompe en fonction du système :

$$Hmt=Hgp-Hga+\Delta H_{totale}$$

- Déterminer le NPSH disponible pour une pompe en charge (Figure 1) :

$$NPSH_{dispo}=\frac{P_{atm}-P_v-J_{asp}+H_h}{\rho*g}$$

Avec : $H_h=g*Z*\rho$

La valeur du NPSH disponible doit être strictement supérieure à celle du NPSH requis de la pompe choisie pour éviter les phénomènes de cavitation qui endommageraient celle-ci.

- Calcul de la puissance absorbée qui correspond à la puissance à fournir sur l'axe de la pompe pour assurer son fonctionnement. 

$$P_a=\frac{P_u}{\eta}=\frac{\rho*g*Q*Hmt}{\eta}$$

Dimensionnement

Module d'ultrafiltration sélectionné :

Le module d'ultrafiltration sélectionné est l'UF120S1 mis sur le marché par l'entreprise Polymem® située à Castanet-Tolosan dans la banlieue de Toulouse. Chaque module est composé de plusieurs centaines de fibres creuses permettant d'avoir une surface de contact de 114 m2​. Il s'agit d'un procédé fonctionnant à basse pression. Les caractéristiques de la membranes sont reportées en ci-dessous (Tableau 1) :

Tableau 1 - Caractéristique techniques du  module d'ultrafiltration UF120S1 de Polymem® 

 

Dimensionnement de l'unité de filtration :

Méthodologie : http://hmf.enseeiht.fr/travaux/bei/beiere/content/2015/methodologie-0

Dans cette étude, des hypothèses ont été faites afin de pouvoir dimensionner cette étape qui traitera 35 m3/h d'eau :

- Le flux de perméat moyen $J_{perméat\;moyen}$ entre 2 rétrolavages est égal à 60% du flux d'eau pure à travers la membrane

​- la température de l'eau à traiter entre dans l'usine à 5°C

- un facteur correctif est appliqué à la valeur du flux d'eau pour prendre en compte l'effet de la température sur la performance de la membrane : 

$$K_T=exp(-0,0239*(T-20))$$

- la pression dans le perméat est de 1 bar

Les caractéristiques du module d'ultrafiltration tenant compte des hypothèses précédentes sont les suivantes :

Tableau 2 - Caractéristiques de la membrane d'ultrafiltration
pression transmembranaire  PTM 1 bar
perméabilité initiale de la membrane à 20°C (eau pure) J0 à 20°C 60 L/(h.m2.bar)
facteur correctif à 5°C KT 1,43
perméabilité initiale de la membrane à 5°C (eau pure) J0 à 5°C 42 L/(h.m2.bar)

D'après les paramètres de fonctionnement de la membrane, le flux moyen de perméat produit est le suivant :

$$J_{perméat\;moyen}=\frac{0,6*J_0*PTM}{K_T}$$

$$J_{perméat\;moyen}= 25 L/(h.m^2)$$

La surface filtrante nécessaire à la production de 35 m3/h de perméat est la suivante :

$$S_{filtrante}=\frac{Q_{perméat}}{J_{perméat\;moyen}}=1400 m^2$$

La surface filtrante d'un module UF120S1 étant de 114 m2, il faudra 13 modules pour pouvoir maintenir un débit de production de 35 m3/h.

Dimensionnement de la pompe d'alimentation :

Méthodologie : http://hmf.enseeiht.fr/travaux/bei/beiere/content/2015/methodologie-0

La membrane est alimentée par une pompe centrifuge qui va permettre de transporter l'eau pré-filtrée du réservoir de stockage R1 jusqu'à la membrane et ainsi d'appliquer la pression transmembranaire requise à la production de perméat envisagée (Figure 3).

Figure 3 - Schéma de l'installation d'ultrafiltration en mode filtration

1) Le débit d'alimentation est fixé à 35 m3/h avec une vitesse dans les conduites de 1 m/s.

Le diamètre des conduites est donc :

$$d=\frac{\frac{35}{3600}*4}{\pi*1}= 0,111 m$$

2) Calcul du nombre de Reynolds :

$$Re = \frac{1000,2*1*0,111}{1,48.10^{-3}}=75008\;<\;10^5$$

Le régime d'écoulement est turbulent lisse. 

3) Résolution par un solveur de la formule de Colebrook pour la détermination du coefficient de perte de charge en considérant une conduite en acier de porosité $\epsilon=0,015\;mm$:

$$\lambda=0,020$$

Calcul des pertes de charge linéaires entre A et B en considérant une longueur de conduite de 2,9 mètres avec l'équation de Darcy-Weisbach :

$$\Delta H_{linéaire\;A-B}=\frac{0,020*2,9*1^2}{0,111*2*9,81}=0,027/;m$$

Calcul des pertes de charges singulières entre A et B en considérant 2 coudes d'angle de courbure de 90° et une vanne :

$$K_{coude}=sin^2(90)+2*sin^4(\frac{90}{2})=1,5$$

$$\Delta H_{vanne}=0,09\;m$$

$$\Delta H_{singulière\;A-B}=2*\Delta H_{coude}+\Delta H_{vanne}=2*(1,5*\frac{1^2}{2*9,81})+0,09=0,243\;m$$

4) Calcul de la pression au point A en considérant une pression de 2 bar au point B, soit une PTM de 1 bar :

Equation de Bernoulli entre A et B 

$$0+\frac{P_A}{\rho*g}+\frac{1^2}{2*9,81}=1+\frac{2.10^5}{1000,2*9,81}+\frac{1^2}{2*9,81}+0,027+0,243$$

$$\frac{P_A}{\rho*g}=21,7\;m\;soit\;2,2\;bar$$

Cette hauteur d'eau représente la perte de charge que la pompe devra vaincre au refoulement pour assurer le bon fonctionnement de la membrane. On peut donc aussi noter :

$$\Delta H_{totale}=21,7\;m$$

5) Choix de la pompe centrifuge adéquate :

Le choix de la pompe consiste à trouver un point de fonctionnement du système pompe-réseau. Pour ce qui est du réseau, le point de fonctionnement va dépendre de la perte de charge, du dénivelé du réseau ainsi que des caractéristiques du fluide à transporter. En ce qui concerne la pompe, il existe des courbes caractéristiques fournies par le constructeur. 

Les caractéristiques du réseau en amont (aspiration) et aval (refoulement) de la pompe sont les suivantes :

Tableau 3 - Caractéristiques du réseau d'alimentation de la membrane d'ultrafiltration
  Aspiration (1-2) Refoulement (A-B)
Hga (hauteur géométrique à l'aspiration) 0,8 m  
Hgp (hauteur géométrique au refoulement)   1,5 m
L (longueur des conduites) 1 m 2,9 m
Installations hydrauliques et contraintes - 1 vanne

- 2 coudes 90°

- 1 vanne

- Mise sous pression du fluide

(PB = 2 bar)

$\Delta H_{totale}$ (perte de charge) 0,1 m 21,7 m
  • Calcul de la hauteur manométrique totale que la pompe doit atteindre :

$$Hmt=1,5-0,8+0,1+21,7=22,5\;m$$

  • Calcul du NPSH disponible :

$$NPSH_{disponible}=\frac{1,013.10^5-872-0,1*9,81*1000,2+0,8*9,81*1000,2}{1000,2*9,81}=10,9\;m$$

La pompe XST50-125 (Figure 4) pourrait correspondre à l'utilisation souhaitée. Pour un débit d'alimentation de 35 m3/h, celle-ci aurait les caractéristiques suivantes :

$Hmt_{maximale}=23\;m$ 

Rendement = 65%

$NPSH_{requis}=2\;m$

$P_a=3,2\;kW$

Figure 4 - Courbes caractéristiques de la pompe d'alimentation Leo XST50-125

​​Dimensionnement de l'étape de rétrolavage : 

Figure 5 - Schéma de l'installation d'ultrafiltration en mode rétrolavage

Le rétrolavage s'effectue au moyen d'une pompe centrifuge qui transporte l'eau filtrée à contre courant dans le module membranaire. L'eau de lavage ne contenant aucun produit chimique est rejetée dans le milieu naturel. Les paramètres de la phase de rétrolavage ont été estimés et sont reportés dans le tableau 4. Des essais en laboratoire permettent normalement de les déterminer en fonction du la qualité de l'eau à traiter

Tableau 4 - Hypothèses sur les paramètres opératoires de la phase de rétrolavage
pression transmembranaire (PTM) 1,5 bar
débit d'eau filtrée (Qr) 35 m3/h
fréquence (fr) 15 minutes
durée (tr) 10 secondes
  • Volume d'eau journalier pour le rétrolavage :

$$V = Q_r*t_r*\frac{24}{f_r} = 35*\frac{10}{3600}*\frac{24}{0,25} = 9,3\;m^3$$

Ce volume correspond à environ 1,5% du volume de production journalier. 

  • Pompe de rétrolavage :

Méthodologie : http://hmf.enseeiht.fr/travaux/bei/beiere/content/2015/methodologie-0

Le diamètre des conduites est fixé à 0,111 mètres avec une rugosité de 0,015 mm, la vitesse de l'eau dans celles-ci est de 1 m/s

Les caractéristiques du réseau en amont (aspiration) et en aval (refoulement) sont les suivantes :

Tableau 5 - Caractéristiques du réseau de la phase de rétrolavage des membranes d'ultrafiltration
  Aspiration Refoulement (A-B)
Hga 0,8 m  
Hgp   0,37 m
L conduite 0,5 m 2,37 m
Installations hydrauliques et contraintes  - 1 vanne

- 1 coudes

- Mise sous pression du fluide

($P_B=2,5 bar$)

$\Delta H_{totale}$ 0,09 m 26,1 m
  • Calcul de la pression à appliquer au point A en considérant une pression de 2,5 bar au point B, soit une PTM de 1,5 bar :

Equation de Bernoulli entre A et B

$$0+\frac{P_A}{\rho * g}+\frac{1^2}{2*9,81}=0,37+\frac{2,5.10^5}{1000,2*9,81}+\frac{1^2}{2*9,81}+0,3$$

$$\frac{P_A}{\rho*g}= 26,1\;m\;soit\;2,6\;bar$$

La pompe devra donc appliquer une pression de 2,6 bar au refoulement et respecter les contraintes suivantes :

  • Hauteur manométrique totale que la pompe doit atteindre :

$$ Hmt=0,37-0,8+0,09+26,1=25,8\;m$$

  • NPSH disponible :

$$NPSH_{disponible}=\frac{1,013.10^5-872-0,09*9,81*1000,2+0,8*9,81*1000,2}{1000,2*9,81}=10,9\;m$$

  • Puissance utile de la pompe :

$$P_u=1000,2*9,81*\frac{35}{3600}*25,8=2,5\;kW$$

Nanofiltration

 

Présentation du module de nanofiltration :

La membrane choisie opère, cette fois-ci, en filtration tangentielle. Le module de membrane est un module spiralé. Les modules spiralés sont constitués de plusieurs assemblages élémentaires enroulés en spirale. L'assemblage comprend un espaceur d'alimentation, une membrane, un espaceur de perméat et une deuxième membrane. L'étanchéité entre les différents compartiments est assurée par collage. Les membranes utilisées sont des membranes organiques suffisament flexibles pour pouvoir être enroulées.

L'eau brute arrive sur le côté du module au niveau des espaceurs d'alimentation. Le perméat est collecté dans les espaceurs de perméat et, en suivant une spirale, ressort par le tube de collecte central. Le rétentat traverse le module par les espaceurs d'alimentation et ressort de l'autre côté du module. L'avantage de ce type de module est une compacité élevée, de l'ordre de 300 à 1000 m2/m3.

En filtration tangentielle, le fluide circule parallèlement à la surface de la membrane avec une certaine vitesse qui impose un gradient de cisaillement à la surface de la membrane qui limite ainsi l'accumulation de la matière. Le grand avantage de la filtration tangentielle est qu'elle permet de travailler, une fois le régime établi, avec un flux de perméation à peu près constant. 

Figure 1 - Schéma de la membrane spiralée de nanofiltration

Figure 2 - Schéma de la filtration tangentielle et conditions opératoires (source : thèse Benjamin Espinasse, 2003)

Le module de nanofiltration sélectionné est le FILMTEC™ NF200-400 fabriqué par DOW. Ce module est utilisé dans l'usine de potabilisation d'eau de Courchevel construite par OTV, filiale de Veolia Eau. 

 

Tableau 1 - Caractéristiques techniques du module de nanofiltration FILMTEC™ NF200-400 par Dow

Mode de filtration par gradient de pression avec écoulement tangentiel
Surface membranaire (m2) 37
Diamètre du module (mm) 201
Diamètre du tube de perméat (mm)

29

Longueur du module (mm) 1016
Seuil de coupure moyen (Da) 200
Pression de fonctionnement maximum (bars)

41

Perte de charge maximum (bars) 3,4
Matériau des membranes pellicule de polyamide composite
Température maximale 45 °C
Gamme de pH 3 - 10

 

Détermination de la surface filtrante nécessaire :

Afin de déterminer la surface filtrante nécessaire, on considère que le procédé de séparation se fait tout d'abord en une seule étape. De plus, plusieurs hypothèses seront faites pour traiter 35 m3/h d'eau :

​- la température de l'eau à traiter entre dans l'usine à 5°C

- un facteur correctif est appliqué à la valeur du flux d'eau pour prendre en compte l'effet de la température sur la performance de la membrane : 

$$K_T=exp(-0,0239*(T-20))$$

Les paramètres de fonctionnement du module tenant compte des hypothèses précédentes sont les suivants :

Tableau 2 - Caractéristiques de la membrane de nanofiltration

pression transmembranaire  PTM 6,25 bars
perméabilité initiale de la membrane à 20°C (eau pure) J0 à 20°C 10 L/(h.m2.bar)
facteur correctif à 5°C KT 1,43
perméabilité initiale de la membrane à 5°C (eau pure) J0 à 5°C 7 L/(h.m2.bar)
Taux de conversion $\tau$ 72 %  

​Le taux de conversion de l'ensemble du procédé, aussi appelé rendement global, est de 72%. C'est à dire que 72% de l'eau d'alimentation sera filtrée, le reste constituera le rejet concentrât.

D'après les paramètres de fonctionnement de la membrane, le flux moyen de perméat produit est le suivant :

$$J_{perméat\;moyen}=\frac{\tau*J_0*PTM}{K_T}$$

$$J_{perméat\;moyen}= 27 L/(h.m^2)$$

La surface filtrante nécessaire à la production de 35 m3/h de perméat est la suivante :

$$S_{filtrante}=\frac{Q_{perméat}}{J_{perméat\;moyen}}=1296,3  m^2$$

La surface filtrante d'un module FILMTEC NF200-400 étant de 37,2 m2, il faudra 35 membranes pour pouvoir maintenir un débit de production de 35 m3/h.

 

Les membranes sont dans des modules appelées tube de pression. Chaque tube de pression peut contenir 6 membranes, reliées entre elle par un connecteur perméat qui comme son nom l'indique permet de connecter les collecteurs perméat entre eux. Ces tubes sont fabriqués en inox.

Les tubes de pression sont répartis comme suit :

- trois tubes pour le premier étage

- deux tubes pour le second étage

- un tube pour le troisième étage

L'association des étages est une association dite "série-rejet". Cette association consiste à connecter en série les concentrâts et les alimentations. Ainsi le concentrât du premier étage alimente le deuxième étage et le concentrât du deuxième étage alimente le troisième étage. Le concentrât final sortant du troisième étage constitue le rejet final du système.

La qualité de l'eau d'alimentation des membranes influx sur le rendement des membranes, ce dernier diminue lorsque la salinité de l'eau d'alimentation augmente. Ainsi, le rendement du premier étage est plus important que celui du deuxième lui-même plus important que celui du dernier étage et parallèlement le débit de perméat diminue d'étage en étage

Figure 3 - Schéma du montage de la nanofiltration

La contribution de chaque étage au débit de perméat total est d'autant plus importante que le rendement de l'étage est fort. La proportion de perméat fournit par chaque étage est la suivante :

- premier étage : 71% du débit total de perméat

- deuxième étage : 23% du débit total de perméat

- troisième étage : 6% du débit total de perméat

L'eau filtrée de chaque étage est collectée sur des canalisations indépendantes.  Un collecteur général regroupe le perméat des 3 étages. 


Traitements annexes :

Un certain nombre d'équipements autour des membranes de nanofiltration est nécessaire pour assurer le bon fonctionnement de ces membranes.

Figure 4 - Schéma global de l'usine de traitement utilisant la nanofiltration

  • Pré-traitement :

L'eau d'alimentation des membranes doit être au préalable prétraitée si elle contient des matières en suspension, de la turbidité. Un poste de pré-filtration de sécurité est obligatoire. Il est disposé avant les membranes afin de stopper les arrivées accidentelles de particules qui n'aurait pas été éliminée par la filtration sur sable. Ce poste de prétraitement est constitué de cartouches filtrantes ayant pour porosité 5 µm.

Après le passage à travers les filtres par cartouche, un agent chimique appelé séquestrant ou anti-précipitant est ajouté . Le séquestrant est un inhibiteur de précipitation qui permet de maintenir les sels en solution, au delà de leurs limites théoriques de solution. Il permet ainsi d'éviter les dépots de sels sur membranes dont de limiter le colmatage. L'injection du séquestrant se fait avec une pompe doseuse. Le choix du séquestrant dépendra de la qualité de l'eau brute rentrante. Les séquestrants faisant partie de la série 4000 de la marque HYDREX semble particulièrement bien adapté à notre utilisation. En effet, ces produits chimiques sont agrées par les principaux fournisseurs de membrane.

 

  • Post-traitement :

La nanofiltration élimine non seulement les contaminants présents dans l'eau potable mais également les minéraux comme le calcium ou le magnésium. L'eau qui a une faible dureté n'a pas assez de calcium pour neutraliser le gaz carbonique dissous. Ce gaz se combine à l'eau pour faire de l'acide carbonique qui va corroder les installations. On doit donc procéder à une reminéralisation avant de distribuer l'eau aux administrés afin d'éviter cette corrosion.

La reminéralisation se fait en deux étapes. Tout d'abord, l'eau est acidifiée par une injection de gaz carbonique (CO2). La technologie est la même que celle utilisée pour la désinfection. Ensuite, elle percole à travers d'une couche de calcaire. En traversant cette masse, l'eau se charge en calcium et devient légèrement incrustante. Cela signifie qu'elle n'est pas agressive au point d'endommager les conduites, mais un léger dépot se fait tout de même sur ces conduites. La neutralisation se fait sur des filtres à Neutralite, une variante du calcaire marin. Cela suit le même principe que le filtre à sable mais qui en plus va être capable de reminéraliser l'eau par dissolution des grains de calcium au contact de l'eau.


Dimensionnement de la pompe d'alimentation :

Méthodologie : http://hmf.enseeiht.fr/travaux/bei/beiere/content/2015/methodologie-0

Le schéma d'alimentation sera le même que celui utilisé pour l'ultrafiltration. Cela implique que la taille du réservoir ainsi que la longueur des conduites sera prise comme identique.

1) Le débit d'alimentation est fixé à 35 m3/h avec une vitesse dans les conduites de 1 m/s.

Le diamètre des conduites est donc :

$$d=\frac{\frac{35}{3600}*4}{\pi*1}= 0,111 m$$

2) Calcul du nombre de Reynolds :

$$Re = \frac{1000,2*1*0,111}{1,48.10^{-3}}=75008\;<\;10^5$$

Le régime d'écoulement est turbulent lisse. 

3) Résolution par un solveur de la formule de Colebrook pour la détermination du coefficient de perte de charge en considérant une conduite en acier de porosité $\epsilon=0,015\;mm$:

$$\lambda=0,020$$

Calcul des pertes de charge linéaires entre A et B en considérant une longueur de conduite de 2,9 mètres avec l'équation de Darcy-Weisbach :

$$\Delta H_{linéaire\;A-B}=\frac{0,020*2,9*1^2}{0,111*2*9,81}=0,027/;m$$

Calcul des pertes de charges singulières entre A et B en considérant 2 coudes d'angle de courbure de 90° et une vanne :

$$K_{coude}=sin^2(90)+2*sin^4(\frac{90}{2})=1,5$$

$$\Delta H_{vanne}=0,09\;m$$

$$\Delta H_{singulière\;A-B}=2*\Delta H_{coude}+\Delta H_{vanne}=2*(1,5*\frac{1^2}{2*9,81})+0,09=0,243\;m$$

4) Calcul de la pression au point A en considérant une pression de 10,5 bars au point B, soit une PTM de 6,5 bar :

Equation de Bernoulli entre A et B 

$$0+\frac{P_A}{\rho*g}+\frac{1^2}{2*9,81}=1+\frac{10,5.10^5}{1000,2*9,81}+\frac{1^2}{2*9,81}+0,027+0,243$$

$$\frac{P_A}{\rho*g}=108,3\;m\;soit\;10,8\;bars$$

Cette hauteur d'eau représente la perte de charge que la pompe devra vaincre au refoulement pour assurer le bon fonctionnement de la membrane. On peut donc aussi noter :

$$\Delta H_{totale}=108,3\;m$$

 

Choix de la pompe centrifuge adéquate :

La pompe centrifuge multi-étagée KSB Multitec 50 3.1 correspond à l'utilisation souhaitée. Pour un débit de 35 m3/h, celle-ci aurait les caractéristiques suivantes :

Nombre d'étages : 3

$Hmt_{maximale}=140\;m$ 

Rendement = 67,3%

$NPSH_{requis}= 2,7\;m$

Par interpolation linéaire, on trouve $P_a=24,75 \;kW$

Figure 5 - Courbes caractéristiques de la pompe KSB Multitec 50 3.1

Dimensionnement de l'étape de rétrolavage :

Le rétrolavage consiste à nettoyer les membranes. Le but est d'éliminer le colmatage afin de retrouver des performances acceptables de filtration. Le colmatage des membranes peut avoir deux origines :

- organique : lié à une prolifération de microorganismes sur les membranes générant un biofilm qui obstrue les pores de filtration,

- inorganique : lié à la précipitation de cristaux, sels, qui incrustent la surface des membranes.

La perte de charge du système va permettre de suivre l'état de colmatage du procédé. Plus les membranes seront colmatées plus la pression exercée pour filtrer un même volume d'eau sera grande. Ainsi, la pression du système ainsi que ses pertes de charge vont avoir tendance à augmenter.

Le rétrolavage va donc s'effectuer au moyen d'une pompe centrifuge qui transporte l'eau filtrée à contre courant dans le module membranaire. Les paramètres de la phase de rétrolavage ont été estimés et sont reportés dans le tableau 4. Des essais en laboratoire permettent normalement de les déterminer en fonction du la qualité de l'eau à traiter

Tableau 3 - Hypothèses sur les paramètres opératoires de la phase de rétrolavage

pression transmembranaire (PTM) 7 bars
débit d'eau filtrée (Qr) 32 m3/h
fréquence (fr) 3 heures
durée (tr) 30 secondes

Le débit de rétrolavage sera pis légérement inférieur à celui d'alimentation, soit 32 m3/h.

  • Volume d'eau journalier pour le rétrolavage :

$$V = Q_r*t_r*\frac{24}{f_r} = 32*\frac{30}{3600}*\frac{24}{3} = 2,3\;m^3$$

Ce volume correspond à environ 0,3 % du volume de production journalier. 

  • Pompe de rétrolavage :

Méthodologie : http://hmf.enseeiht.fr/travaux/bei/beiere/content/2015/methodologie-0

Le schéma d'alimentation sera le même que celui utilisé pour l'ultrafiltration. Cela implique que la taille du réservoir ainsi que la longueur des conduites sera prise comme identique.

Le diamètre des conduites est fixé à 0,111 mètres avec une rugosité de 0,015 mm, la vitesse de l'eau dans celles-ci est de 1 m/s

Les caractéristiques du réseau en amont (aspiration) et en aval (refoulement) sont les suivantes :

Tableau 4 - Caractéristiques du réseau de la phase de rétrolavage des membranes de nanofiltration
  Aspiration Refoulement (A-B)
Hga 0,8 m  
Hgp   0,37 m
L conduite 0,5 m 2,37 m
Installations hydrauliques et contraintes  - 1 vanne

- 1 coudes

- Mise sous pression du fluide

($P_B=8 bars$)

$\Delta H_{totale}$ 0,09 m 26,1 m
  • Calcul de la pression à appliquer au point A en considérant une pression de 8 bars au point B, soit une PTM de 7 bars :

Equation de Bernoulli entre A et B

$$0+\frac{P_A}{\rho * g}+\frac{1^2}{2*9,81}=0,37+\frac{8.10^5}{1000,2*9,81}+\frac{1^2}{2*9,81}+0,3$$

$$\frac{P_A}{\rho*g}= 82 \;m\;soit\;8,2\;bar$$

La pompe devra donc appliquer une pression de 8,2 bars au refoulement et respecter les contraintes suivantes :

  • Hauteur manométrique totale que la pompe doit atteindre :

$$ Hmt=0,37-0,8+0,09+82= 82,6\;m$$

La pompe centrifuge multi-étagée KSB Multitec 30 3.1 correspond à l'utilisation souhaitée.

Pour un débit de 32 m3/h, celle-ci aurait les caractéristiques suivantes :

Nombre d'étages : 2

$Hmt_{maximale}=90\;m$ 

Rendement = 67%

$NPSH_{requis}= 2,6\;m$

Par interpolation linéaire, on trouve $P_a=12,9\;kW$

Etude économique

Dans cette dernière partie, nous allons tenter de chiffrer le coût des différents procédés membranaires. Pour cela, nous tiendrons uniquement compte de la consommation énergétique des pompes utilisées pour la filtration et pour le rétrolavage.

La même hypothèse, que celle réalisée lors de l'enneigement artificiel, concernant le rendement entre puissance électrique et puissance hydraulique sera utilisé. Ce rendement moyen est de 60 %.

Tableau 1 - Puissance électrique et hydraulique pour les pompes

Filtration membranaire Ultrafiltration Nanofiltration

Équipement

Pompe de filtration Pompe de rétrolavage Pompe de filtration Pompe de rétrolavage

Puissance hydraulique (kW)

3,2 2,5 24,75 12,9

Puissance électrique (kW)

5,12 4 39,6 20,64

 

Coût de fonctionnement : 

  • Alimentation électrique

Avec EDF, il existe différents tarifs pour les professionnels. Le tarif bleu qui correspond à des entreprises ayant peu d'installations électriques et le tarif jaune pour des entreprises qui ont une plus importante consommation en électricité. Au vu de la consommation des canons à neige et des pompes, le tarif jaune semble être le plus approprié.

Sur le site d'EDF nous pouvons alors regarder les tarifs pour le tarif jaune. Ce tarif est composé d'une cotisation annuelle et d'une facture au kWh variant en fonction de la saison et des heures de la journée. 

Le prix observé pour une consommation en hiver en heures creuses est le suivant : 6,692 centimes par kWh. A noter que dans le cas d'une consommation en hiver en heures pleines le prix passe alors à 9,925 centimes par kWh.

La station de traitement de l'eau fonctionne 24h/24 pendant 4 mois. Les différents horaires des heures creuses et des heures pleines sont les suivantes :

Heures creuses : 22h à 6h soit 8h

Heures pleines : 6h à 22h soit 16h

Les fréquences de rétrolavage pour l'ultrafiltration et la nanofiltration. On peut donc déterminer la consommation énergétique des procédés.

 

Tableau 2 - Estimation des coûts de fonctionnement des procédés membranaires

Filtration membranaire Ultrafiltration Nanofiltration
Période horaire Heures creuses Heures pleines Heures creuses Heures pleines
Pompe de filtration (€) 66,53 981,97 2558,1 7587,92
Pompe de rétrolavage (€) 0,56 1,67 3,71 11
Total (€) 1050,73 10 160,73

Le coût de fonctionnement de la nanofiltration est 10 fois supérieur à celui de l'ultrafiltration. De plus, les équipements annexes tels que le séquestrant, le CO2 et les différents filtres qui sont spécifiques à la nanofiltration n'ont pas été pris en compte. Le coût de fonctionnement de la nanofiltration sera encore plus important.

 

En conclusion, la connaissance de la composition de la qualité de l'eau est un facteur majeur. S'il n'est pas nécessaire d'utiliser un procédé de nanofiltration afin de rendre l'eau potable, l'économie réalisée sera très importante.

La désinfection

La désinfection est l'étape finale au sein de l'usine de production d'eau potable. Elle permet de tuer ou d’inactiver les micro-organismes tels que les bactéries ou les virus ainsi que d’éviter le développement de ces micro-organismes dans les canalisations ou les réservoirs. L’objectif de la désinfection est donc de garantir la santé et de répondre aux exigences des habitants.

Le chlore est le produit le plus couramment utilisé pour la désinfection de l'eau. C'est aussi le produit le plus facile à mettre en oeuvre dans le cadre de la production d'eau potable. Il peut être employé sous différentes formes : chlore gazeux, hypochlorite de sodium appelé également eau de javel ou pastilles.

La chloration à l'avantage d'avoir un double effet :

- un effet bactéricide lors de l'injection (pouvoir désinfectant instantané)

- un effet rémanent qui protège l'eau d'une nouvelle contamination lors du transport dans les canalisations et lors du stockage (pouvoir désinfectant dans le temps)

En France, la circulaire DGS/SD7A n°2003-524/DE/19-03 du 7 novembre 2003 créée dans le contexte du plan Vigipirate préconise de  «maintenir une concentration minimale en chlore libre de 0,3 milligramme par litre (mg/l) en sortie des réservoirs et de viser une concentration de 0,1 mg/l en tout point du réseau de distribution ». Afin de respecter cette norme, la concentration visée en chlore libre en sortie d'usine sera de 0,3 mg/L. On estimera que tout le chlore ajouté sera sous la forme d'acide hypochloreux HCLO. 

Le débit d'eau à désinfecter est de 35 m3/h, soit 9,72 L/s. Le débit massique de chlore à injecter est de 2,92 mg/s soit 10,5 g/h.

Technologie utilisée :

Le système de chloration sélectionné est un système de chloration à double entrée avec régulation manuelle mise sur le marché par la société EUROCHLORE.SAS installée dans les Yvelines (78).

Le soutirage du chlore se fait à l'aide d'un chloromètre placé directement sur la bouteille. Afin de garantir une chloration constante, un inverseur couplé à un second chloromètre est installé. Lorsque la première bouteille est vide, le système est automatiquement basculé sur la deuxième bouteille afin que la première bouteille puisse être remplacée par une nouvelle.

Le chlore est ensuite injecté grâce à un hydro-éjecteur qui utilise la pression de l'eau circulant dans la conduite afin de créer un effet Venturi, et donc une aspiration.

Le débit unitaire nominal de l'installation est de 10,5 g/h sur une période de fonctionnement de 4 mois, de décembre à mars. La consommation annuelle de chlore gazeux est donc de 30,24 kg/an.

Deux bouteilles de 15 kg seront donc installées : une en service et une autre branchée en attente.

Figure 1 - Schéma du montage de la chloration

Impacts environnementaux des aménagements dans un contexte montagnard

Les stations de ski sont aujourd'hui encore en plein développement. Augmentation de leur capacité d'accueil, modernisation, diversification des activités proposées, tout est fait pour attirer de nouveaux touristes et rendre économiquement viables ces lieux hautement touristiques. Cependant, le milieu montagnard reste extrêmement fragile. Il abrite une faune et une flore riches, diversifiées, qui ont su s'adapter aux conditions climatiques et topographiques parfois difficiles. Chaque action que l'homme a sur ce milieu peut avoir des conséquences plus ou moins pérennes que nous allons détailler tout au long de cette partie dans trois axes principaux. 

Le premier axe traitera des études préliminaires indispensables à réaliser avant toute construction, comprenant la connaissance du contexte réglementaire en vigueur et l'identification des zones protégées, mais aussi l'étude des aléas naturels potentiels pouvant décider de la viabilité d'un site de construction ou non. Lors d'un deuxième axe, nous traiterons des impacts de la neige de culture sur le milieu naturel. En effet, le projet principal global d'agrandissement prévoit l'enneigement de nouvelles pistes ainsi que la mise en fonctionnement de nouveaux canons à neige, qui auront des impacts sur les écosystèmes locaux. Enfin, nous terminerons sur les impacts potentiels provoqués par la construction d'une nouvelle retenue collinaire, indispensable pour le projet global d'agrandissement de la station, pour la production d'eau potable ainsi que pour alimenter les nouveaux canons à neige. 

Etudes préliminaires

Avant la construction de tout aménagement, il est indispensable de connaître les caractéristiques des lieux d'implantation. Le contexte réglementaire est évidemment fondamental, car il définit les lieux constructibles, la présence de zones protégées ou d'aspects législatifs à respecter dans certains cas. L'étude des aléas naturels est également un aspect essentiel, car elle permet d'évaluer les risques locaux à prendre en compte. Ces derniers peuvent être extrêmement forts en zone montagne du fait des caractéristiques topographiques, géologiques et climatiques du milieu. 

Cadre réglementaire et institutionnel relatif au milieu montagnard

Le milieu montagnard est devenu de nos jours une attraction touristique notamment pour la pratique des sports d’hiver.  En effet après l’agriculture, la deuxième ressource économique pour les villages montagnards est le tourisme et on assiste à l'agrandissement ainsi qu'à la réalisation de nouvelles stations de ski généralement à l’initiative de promoteurs privés. A cet effet, l'état prend en charge la réalisation des différents aménagements pour faciliter l’accès à la station et laisse le soin aux communes et aux opérateurs privés de réaliser les aménagements  de la station, (Marcel et al., 2006),.

Le milieu montagnard est un environnement très fragile, encadré par une législation très stricte qui assure la protection des espèces faunistiques et floristiques ainsi que les ressources du sol et en eau qui le constituent. La réglementation impose d’étudier et de prendre en compte l’incidence sur l’environnement de tout aménagement avant sa réalisation. L’article L. 122-1 du Code de l’environnement impose aux collectivités publiques de respecter les préoccupations environnementales et de réaliser les études préalables relatives aux impacts potentiels des aménagements qui pourraient porter nuisance à l’environnement (Peyras et Mériaux, 2009).

La réalisation d'un projet d'aménagement en milieu montagnard est encadrée par des lois qui visent à assurer la protection des milieux. Avant la réalisation de tout projet d’aménagement en montagne, sa pertinence est évaluée et gérée par les comités de massifs, regroupant l’Etat et les collectivités locales. La Directive d’aménagement nationale relative à la protection et à l’amélioration de la montagne de 1977 constitue le texte juridique de base qui vise à assurer la protection des milieux et à garantir le développement des petits villages avoisinant la station. Mais d'autres textes (la loi montagne, le code de l'urbanisme etc.) complètent le dispositif juridique et réglementaire qui encadre la réalisation des aménagements en milieu montagnard

Notre projet de la station de ski de Puy Saint-Vincent prévoit la réalisation de plusieurs aménagements : une retenue collinaire, des canons à neige, une usine de production d’eau potable. Ces aménagements peuvent avoir des impacts sur l'environnement qu'il est nécessaire d'analyser. Cette partie est consacrée à la présentation du cadre juridique et réglementaire qui encadre ce genre d'aménagements et qui pourraient intéresser les différents travaux et activités susceptibles d'être engendrés. Elle comprend  trois parties : la première partie présente le cadre législatif et réglementaire (directive, loi montagne, code de l'urbanisme etc…) ; la deuxième partie présente le cadre institutionnel et administratif ainsi que les acteurs qui interviennent dans la gestion du milieu. On précise à cet effet, ce qui relève de l'administration centrale (ministères directions régionales etc.) de ce qui revient aux institutions décentralisées : comités etc. La dernière partie présente les sites protégés concernés par le projet en précisant la nature des protections dont ils bénéficient et les mesures nécessaires pour les garantir. 

Cadre législatif et réglementaire

Dans cette partie on présentera les différentes législations et les réglementations qui entrent en jeu dans le cadre de la préservation du milieux montagnard dans le cadre d'un aménagement quelconque.

Directive d'aménagement national relative à la protection et à l'amélioration de la montagne

La directive d’aménagement national relative à la protection et à l’amélioration de la montagne vise à protéger l’agriculture et la forêt qui la plupart du temps sont à la base de l’activité économique locale ; ils constituent d'autre part les piliers essentiels de l’équilibre écologique du milieu montagnard. Les activités agricoles et forestières ont tendance à être fragilisées par le développement du tourisme et des aménagements qui l’accompagnent. En effet tous ces aménagements mettent en jeu plusieurs acteurs socio-économiques qui peuvent avoir des intérêts divers et qui vis-à-vis du milieu montagnard peuvent se traduire par des pressions plus ou moins importantes.

Le texte de la directive se présente en deux parties. La première partie regroupe les principes généraux d’aménagement agricole, touristique et forestier en montagne et la deuxième partie, présente les dispositions complémentaires relatives à la protection de la haute montagne.

  • Les principes généraux

Les principes généraux concernent tout ce qui relation avec les aménagements qui peuvent être réalisés dans les milieux montagnards qui peuvent être relatifs aux différentes activités agricoles, touristiques et forestières. Dans cette partie relative aux principes généraux sont présentées les dispositions qui doivent être prises en compte pour tout aménagement en milieu montagnard. Ces dispositions concernent entre autres les règles générales d’urbanisme, les règles concernant les unités touristiques nouvelles, les mesures de protection des plans d’eau, les codes concernant les équipements, le transport et les réseaux divers et tout ce qui peut concerner les mesures complémentaires aux aménagements.

  • Les dispositions complémentaires relatives à la protection en haute montagne

Cette partie présente les différentes dispositions présentées précédemment en l’adaptant en haute montagne. Cet espace du patrimoine français est fragile et il est nécessaire de prévenir sa dégradation qui peut être irréversible. A cet effet, selon le texte de la directive, ‘la zone située au-dessus de la limite forestière doit être construite ou urbanisée le moins possible et certaines hautes vallées doivent rester en l’état’. Ces mesures, bien sûr, ne devront pas empêcher les activités dans la zone (industrielles, agricoles, touristiques, sportives…).

La loi Montagne

La loi Montagne a été mise en place le 9 janvier 1985. Elle est relative au développement et à la protection de la montagne. Cette loi a permis de définir au milieu montagnard sa spécificité, son aménagement et sa protection.

Elle présente le milieu à l’échelle d’une unité géographique ‘Le massif’ et en identifie sept en métropole (Jura, Vosges, Alpes du Nord, Alpes du Sud, Corse, Massif central et Pyrénées.) (figure1).  Chacun de ces massifs constitue une entité géographique, économique et sociale homogène.

Cette loi a pour objectif de permettre aux populations de ces zones de pouvoir développer leurs activités dans des conditions qui peuvent être très particulières en relation avec les conditions naturelles et les spécificités socio-économiques du milieu. Le développement de ces activités doit favoriser la pluriactivité par complémentarité, la diversification de l’offre touristique en protégeant et en valorisant le patrimoine naturel et culturel.

Cette loi s’adresse essentiellement à deux institutions, la Direction régionale de l’environnement et la Direction départementale de l’équipement.

Figure1- Les massifs montagneux Francais (source: carthotheque.free.fr)

Le code de l’urbanisme et l'aménagement du milieu montagnard

Selon l’article L145-3 du code de l’urbanisme, il est nécessaire de préserver les espaces liés au maintien et au développement des activités agricoles, pastorales et forestières. Seules les constructions nécessaires à ces activités (restauration ou reconstruction d’anciens chalets d’alpage ou de bâtiments d’estive), ainsi que les équipements liés à la pratique du ski et de la randonnée peuvent y être autorisées. Le document d’urbanisme spécifie aussi que l’aménagement doit se réaliser en continuité avec les bourgs et villages existants sauf si la préservation des espaces agricoles, pastoraux et forestiers et la protection contre les risques naturels imposent la délimitation de nouveaux hameaux intégrés à l’environnement. En ce qui concerne les parties naturelles des rives de plan d’eau naturel ou artificiel, la loi prévoit une protection sur une distance de 300 mètres à compter de la rive pour les parties de superficie inférieure à 1000 hectares. Ces mesures rendent l’urbanisation sur cette bande fortement encadrée.

 

Cadres institutionnel et administratif

Dans cette partie, on présente les différents acteurs institutionnels qui entrent en jeux pour garantir la mise au point et l’application des législations applicable au milieu montagnard. Pour ces acteurs, on peut identifier deux types d’acteurs: ceux relevant de l’administration centrale et les institutions décentralisées. 

L’administration étatique centralisée

Selon (camptocamp.org), on pourrait identifier deux échelles, pour spécifier ce type d’acteur : l’échelle européenne, regroupant les différentes institutions centrales qui prennent en charge la protection des ressources commune entre différents pays européen. On pourrait prendre comme exemple ALPARC (Réseau Alpin des Espaces Protégés) qui est un organisme découlant de la Convention Alpine, mettant en œuvre ses objectifs concernés les espaces protégés selon les critères de l’article 12 du protocole « Protection de la Nature et Entretien des Paysages » de la Convention Alpine. Il s'agit d'un outil fondé sur la coopération des pays européen voisins dont l’objectif principal est la mise en commun des outils de gestion pour les espaces  protégés alpins.

A l’échelle de la France, L’Etat met en place et gère le suivi des Parcs Nationaux Français. Il met en place les législations de protection découlant du droit européen ou du droit français, notamment les règles et procédures d'urbanisme fixant les conditions d'utilisation du sol, les conditions dont la prise en compte environnementale. D’autre part, l’Etat possède des services opérationnels sur le terrain, chargés de faire appliquer les législations et les dispositifs réglementaires comme les Directions Départementales de l’Agriculture et de la Forêt (DDAF), qui font également de l'assistance technique auprès des collectivités pour leurs projets environnementaux. Il y a également des acteurs techniques sur le terrain tels que l'Office National des Forêts (ONF) et son service Restauration de Terrain de Montagne qui gèrent les risques naturels qui pourraient affecter le milieu montagnard. 

Les institutions décentralisées

Tout ce qui est aménagement qui pourrait concerner le milieu montagnard. L’Etat laisse la tâche à l’échelle locale regroupant les collectivités territoriales. En effet, les Conseils Généraux, notamment au travers des Contrats Territoriaux, peuvent subventionner des politiques de développement durable pour les communes. Ils remplissent également des missions de suivi et d'assistance technique pour les projets environnementaux des collectivités. Les activités relatives à la gestion de l'eau, des déchets, des énergies, des transports en commun sont souvent réalisées par les intercommunalités, qui sont des communautés d’agglomération, qui en récupèrent la compétence. Elles sont souvent à l'initiative de documents d'urbanisme incluant des protections des milieux, tels que les SCOT et PLU.

Ces intercommunalités s'organisent parfois en syndicat intercommunal pour mener une politique de développement durable, comme c'est le cas d'Espace Mont Blanc créant de nombreux outils qui restent encore à mettre en application. Les communes, compétentes sur leur territoire sont à la base des démarches administratives. Les Conseils Municipaux ont généralement des élus chargés de l'environnement qui font le suivi des projets en cours et qui collaborent avec les autres acteurs institutionnels. Elles peuvent être à l'initiative de projet de protection et doivent respecter les textes réglementaires ainsi que les zones protégées sur leur territoire. Le conseil comprend des représentants du parlement, des assemblés permanentes des établissements publics consulaires, des organisations nationales présentant le milieu montagnard et chacun des comités de massif. Il est présidé par le premier ministre. Il présente deux grandes taches. D’une part, il définit les objectifs et précise les actions qu’il juge souhaitable pour le développement, l’aménagement et la protection de la montagne. D’autre part, il facilite par ses avis et ses propositions la coordination des actions publiques dans les zones de montagne.

Présentation des sites protégés concernés par le projet

Dans cette partie, nous présenterons les différents sites protégés pouvant être concernés par notre projet d'expansion ainsi que les institutions qui les encadrent.

Parc National des Écrins

Le Parc National des Écrins a été créé le 27 mars 1973. Il s'étend entre les villes de Grenoble, Gap et Briançon sur plus de 91 800 hectares, couvrant ainsi 61 communes sur deux régions.  Le parc se situe à 6,5 Km à vol d’oiseau de la station de ski de Puy Saint Vincent. Le Parc constitue le cœur qui est entouré par une aire optimale d'adhésion d'une superficie de 178 400 ha avec des altitudes comprises entre 680 m et 3750 m. Il compte 30000 habitant (figure 1). Ce parc présente un site appartenant au réseau Natura 2000.

Figure1- Parc Nationale des Écrins (source: parcsnationaux.fr)

Le Réseau Natura 2000

Le réseau Natura 2000 est un ensemble de sites européens classés comme protégés pour la conservation des espèces sauvages, animales ou végétales qui y résident, et de leurs habitats. Ce réseau est encadré par la directive européenne n° 79/409/CEE du 2 avril 1979, dite "Directive Oiseaux". Dans le but de protéger les espèces, des Zones de Protection Spéciale (ZPS) sont également désignées. Ce réseau est fondé sur deux directives, une directive « Oiseaux » mise en place en 1979 et une directive « Habitats naturels, Faune, Flore » mise en place 1992 (Figure 2). 

             

Figure 2-Démarche Natura 2000 (source: www.developpement-durable.gouv.fr/-NATURA2000)

Zone Importante pour la conservation des oiseaux

Ces zones sont encadrées par la Directive Européenne n°79-409 du 6 avril 1979. La directive préconise "que soit réalisées toutes les mesures nécessaires pour préserver, maintenir ou rétablir une diversité et une superficie suffisante d’habitats pour toutes les espèces d’oiseaux vivant naturellement à l’état sauvage sur le territoire européen". Au niveau français, les autorités concernées ont délimité des zones dans le territoire national hébergeant des espèces d’oiseaux sauvages jugées d’importance communautaire ou européenne.

Zones de Protection Spéciale des Ecrins 

Cette zone s’étend entre les départements des Hautes-Alpes et de l’Isère couvrant une superficie de 9800 ha avec des altitudes qui varient entre 810 et 4102 m. Elle a été désignée par un arrêté ministériel du 24 février 1988, modifié en 2004 et qui l’intègre dans le réseau Natura 2000. Cette zone regroupe plusieurs espèces d’oiseaux protégées au titre de l’article L414-1-II 1er alinéa du code de l’Environnement (Tableau1).

Tableau1-Espèces des oiseaux figurant sur la liste de l’arrêté du 16 novembre 2001

                    

Zones Naturelles d’Intérêt Écologique, Faunistique et Floristique (ZNIEFF)

C’est une portion de territoire, portant un intérêt écologique, faunistique et floristique remarquable du patrimoine naturel. Sa délimitation repose sur une justification scientifique détaillée de son intérêt écologique et patrimonial. La délimitation de ces zones en région Provence-Alpes-Côte d’Azur s’est en particulier appuyée sur les habitats déterminants et les espèces déterminantes qui présentent des critères suffisants pour justifier la description d’une ZNIEFF. On peut différencier deux types de ZNIEFF. Les ZNIEFF de type 1, regroupant plusieurs unités écologiques homogènes avec une superficie limitée par rapport au ZNIEFF de type 2 qui peut inclure plusieurs ZNIEFF de type 1 et présenter un grand ensemble naturel riche ou peu modifié, ou qui offre des potentialités biologiques importantes.

Le site du projet de la station de Puy Saint-Vincent est entouré par une grande zone ZNIEFF de type 2 qui est formée par des petites portions de ZNIEFF de type 1 (figure 3). Une description détaillée de ces zones est présentée dans le chapitre 2 où seront précisées les caractéristiques de la faune et de la flore présentes sur le site. 

                    

Figure 3-ZNIEFF de types 1 et 2 avoisinant la zone d’étude (source : géoportail)

Présentation de la faune et flore protégées présentent sur le site d’étude

Les sites potentiellement affectés par notre projet se situent dans un milieu montagnard où réside plusieurs espèces faunistiques et floristiques dont une grande proportion est protégée par les différentes réglementations précédemment présentées. Dans cette partie, un inventaire non exhaustif des différentes espèces protégées est présenté, qui pourra être complété par les législations associées à chaque site. Pour cela, on va s’appuyer sur le site (http://inpn.mnhn.fr/) relatif  à l’Inventaire Nationale du Patrimoine Naturel. L'INPN est un système mis en place par l’Etat suivant L’article L 411-5 du code de l’environnement assurant le recensement du patrimoine naturel français (espèces animales et végétales, milieu naturel et patrimoine géologique) dans les différentes communes françaises. D’autre part on va se référer aussi à un annexe comportant une étude de la sensibilité environnementale d’un projet qui a été réalisé sur le site concernant l’aménagement d’une piste de ski de Puy-Saint-Vincent.

Espèces animales protégées

Sur le site étudié, plusieurs espèces faunistiques sont présentes dont plusieurs sont protégées. Une étude d'impacts dans le cadre d'un projet dans la région de Puy Saint Vincent (étude d'impact, 2013) en a identifié plusieurs.

  • Des reptiles et batraciens 

La Grenouille rousse, Rana temporaria, est une espèce d'amphibien de la famille des Ranidae. Elle est commune sur le territoire français (figure 1).

Figure 1-La grenouille rousse (source: INPN)

La salamandre tachetée (Salamandra salamandra) est une espèce d'urodèle de la famille des Salamandridae (figure 2).

Figure 2- La salamandre tachetée (source: INPN)

  • Les oiseaux protégés 

Plusieurs espèces d'oiseaux sont protégés dans la zone d'étude citées par l'étude d'impacts de 2013. Chaque espèce citée renvoie vers une page du site (www.oiseaux.net) ou (ecrin-parcnational.fr) qui la présente:

Le tétras-lyre (tétroa tétrix): C'est l'une des espèces de oiseaux les plus affectées en milieu montagnard. Ils sont les tristes victimes des aménagement surtout touristiques, la chasse abusive, le dérangement sur les zones d’hivernage, le pastoralisme et les travaux forestiers mal gérés, les collisions avec les câbles de téléski.... (figure 3)

Figure 3- Le Tétras-lyr (source: INPN)

Tourterelle des bois 

Coucou gris

Pie bavarde

Mésanges (boréale, charbonnière, nonnette…) 

Pouillot véloce 

Fauvette des jardins

Roitelet triple bandeau

Troglodyte mignon 

Sittelle torchepot

Grimpereau des jardins

Merle noir 

Grive (musicienne et litorne

Bergeronnettes (b. grise et b. des ruisseaux) 

Pinson des arbres

 Verdier d’Europe

Espèces végétales protégés

Plusieurs espèces végétales sont classées comme protégées, notamment: (voir l'étude d'impacts, 2013)

Gagea lutea (L.) Ker Gawl., découverte en 1809, C’est une espèce de plante vivace de la famille des Lis. Elle figure dans l’annexe 1 de l’arrêté du 20 janvier 1982 relatif aux espèces protégées sur l’ensemble du territoire national.  

Corydaliscava (L.) Schweigg. & Körte. (figure1), découverte en 1811, appelée aussi Corydale a un tubercule creux. C’est une plante vivace, bulbeuse qui se rencontre dans les lieux frais et humides.

   

Figure 1- Le Corydale à tubercule creux (source :mnhn)

Anemone sylvestris L., surnommée l’anémone des bois et découverte en 1753. C’est une plante herbacée pérenne de la famille des renonculacées (Figure2). 

 

Figure 2- L’Anémone des bois (source :mnhn)

Hepatica nobilis Schreb., appelé aussi l’Hépatique noble, est une plante herbacée vivace de la famille des Ranunculaceae, du genre Hepatica.

Narcissus poeticus L., c’est une plante vivace connue aussi sur le nom du Narcisse des poétes.

Lilium martagon L., c’est une plante herbacée connue aussi sur le nom le Lis martagon.

On peut noter que la présence de la gagée est conditionnée avec celle de l’herbe aux goutteux (Aegopodium podagraria L.). Dès que cette dernière devient abondante la gagée jaune devient systématiquement absente.

 

 

Etude des aléas naturels

Chaque aménagement réalisé sur un site débute par une phase préliminaire d’étude afin de connaitre le milieu et choisir un site adapté. De nombreuses contraintes doivent être prises en compte. Dans un milieu montagnard, ces contraintes sont encore multipliées. Les études doivent comprendre les aléas naturels liés au site, partie que nous allons développer ici. Nous verrons l’étude des aléas liés à la géologie mais aussi aux risques sismiques et avalancheux. 

Afin d'estimer ces risques, il est également intéressant de s'intéresser aux différentes données météorologiques qui jouent un rôle prépondérant. 

Analyse des données météorologiques

Données météorologiques, enneigement et enneigement artificiel

L'étendue des surfaces enneigées et la durée d'enneigement sont directement liés aux conditions naturelles su site et aux données météorologiques.  Le lien entre l'enneigement et les conditions météorologiques est évident : quand les conditions climatiques sont plus douces que d'habitude, il pleut plus souvent qu'il ne neige et la neige présente sur le sol fond plus vite. Quand l'épaisseur et durée de l'enneigement sont insuffisantes vis-à-vis des exigences relatives à l'exploitation des stations de ski, il devient nécessaire de procéder à des opérations d'enneigement artificiel. L'analyse des données météorologiques représente une étape importante dans l'évaluation des différentes opérations relatives à la mise en place du dispositif d'enneigement artificiel.

Nous disposons dans le cadre de notre étude des données météorologiques. Les données nous ont été transmis par le binome 1 qui fait l'étude hydrologique du bassin versant. L'analyse de ces données nous permet d'apprécier la nécessité et l'importance des opérations d'enneigement artificiel. Ces analyse s'appuient sur des modèles ainsi que sur des package sous R. Un package est une collection de fonctions utilisables sous R centrée sur un sujet particulier.  Dans notre étude, nous avons utilisé plusieurs bibliothèques externes dont (’Sirad’, ‘EcoHydRology’). Nous avons ainsi pu constituer un tableau de données (donnée.csv), constituer de 8 variables météorologiques (Température minimale, Température maximale(°c), Pluviométrie(mm), Débit moyen(m3/s), Rayonnement globale(Mj/m2/j), Enneigement (cm), Potentiel d’évapotranspiration(mm/jour)) (figure1). Nous analysons dans la suite ces variables en essayant de les interpréter vis-à-vis de l'enneigement naturel potentiel et de l'enneigement artificiel nécessaire. 

         

Figure1- Caractérisation des variables météorologiques

La température

Pour la température, nous avons pu avoir les données des Températures maximales et minimales dont on en a déduit la température moyenne entre le 01 janvier 2010 et le 08 Janvier 2015. (La figure 2) présente les variations des températures moyennes en °c durant cette période.  L'examen de cette figure montre que les températures moyennes les plus basses sont enregistrées entre Décembre et Janvier. En sachant que la saison de ski commence en Novembre dans la région et pourrait durer jusqu’à fin Mars, on pourrait en déduire qu'on a impérativement besoin de l’enneigement artificiel.

            

Figure 2- variation de la température moyenne

Les précipitations

Il est essentiel de déterminer le régime naturel des précipitations qui nous permet de préciser les impacts associés au déroulement naturel du cycle de l’eau et les impacts qui résultent des conséquences de l’enneigement artificiel. Nous disposons des données relatives aux précipitations en mm entre le 01 janvier 2010 et le 08 Janvier 2015 (Figure 3). La figure 4 indique que la pluviométrie est très irrégulière d’une année à une autre. La pluviométrie annuelle la plus basse enregistrée entre 2010 et 2015 a été de 681.6 mm (année 2011) et la pluviométrie annuelle la plus élevée a été de 813.3mm (année 2013). En effet l’hiver 2013/2014 a été exceptionnellement pluvieux en Provence – Alpes – Côte d'Azur, (meteofrance.fr : Bilan climatique de l’hiver 2013-2014).

       
                   

Figure 3- Variation des Précipitations 

L’enneigement

Nous avons pu acquérir les données relatives à d’enneigement dans la station de Puy-Saint-Vincent à partir du site ‘skiinfo.fr’. Nous avons analysé la variation de l’enneigement entre les années 2010 et 2014 (figure 4). On peut remarquer que l’enneigement est très variable d'une année à l'autre et qu'il se concentre essentiellement durant la période entre Décembre et Avril. ​

            

Figure 4- Variation de l’enneigement 

L'évapotranspiration

A l'aide des packages (’Sirad’‘EcoHydRology’) on a pu déterminer des valeurs approximatives de l'évapotranspiration moyenne l'équation de Turk. On a eu les résultats de la figure 5. Les valeurs moyennes annuelles pour les année 2011, 2012, 2013 et 2014 sont respectivement de 453.9066​mm, 477.1158​mm, 490.8888​mm et 456.7683​mm. On peut noter que malgré que la variation de l'évaporation potentiel est très variée d'une année à une autre les valeurs annuelles sont approxiamtivement égaux référant aux sorties d'un bilan hydrologique alors qu'on a bien vu précedemment que les précipitations liquides et solides référants aux entrées dans un bilan hydrologique sont très variables. Ce qui justifie encore une fois le recours à l'enneigement artificiel dépandant de la différence variable des entrées et des sorties d'eau. 

                     

Figure 5 - Variation de l'ETP entre 2011 et 2014  

 

La prévention des risques naturels

Généralités sur la gestion du risque

De nos jours le nombre de victime liés et aux accidents naturels sont évaluées à 5 millions de personnes. Les premières victimes sont les pays en voie de développement caractérisé par un développement démographique en continuelle augmentation qui en résulte une expansion urbaine irréfléchie ainsi qu’une dégradation importante du milieu naturel (déboisement suivi d'érosion des sols, modification des microclimats, etc.).

Afin de limiter les aléas naturels liés aux activités industrielles, les pays industrialisés ont mis en place différentes mesures de prévention et atténuation des risques potentiels. Bien que cela représente une très lourde charge pour l’économie de ces pays. On note bien que les pertes humaines sont en continuelle régression.

On notera aussi que les investissements mobilisés pour limiter les dégâts dangereux sont d’habitude rentable vue les couts très élevés des pertes économiques évités (exemple de la Californie ou le ratio correspondant au gain économique des mesure préventives a été estimé à 12 % pour les glissements de terrain, 20 % pour les risques sismiques et volcaniques, 60 % pour les inondations). En effet selon (Cojean, 2003) ‘L’intérêt économique des investissements

préventifs est bien plus grand quand ils s’intègrent dans des schémas de développement urbain et régional’. 

Cadre législatif et réglementaire de la gestion du risque en France

La France, qui a mis en place une politique de gestion du risque dotée d’un dispositif législatif et réglementaire. L’ordre chronologique des différentes mesures et des dispositions qui ont été mises en place est représenté sur la figure 1. 

   

Figure 1- Mise en place du dispositif législatif et réglementaire en France

Le premier plan de gestion des risques naturels mis en place en France a été consacré à la gestion des inondations. Les Plans des Surfaces Submersibles (PSS) ont été créés en 1935. La notion de périmètre de risque a été introduite en 1961 à la faveur de l’article R.111-3 du code de l’urbanisme qui fait référence au fait que « la construction sur des terrains exposés à des risques tels que : inondation, érosion, affaissement, éboulement, avalanche, peut, si elle est autorisée, être subordonnée à des conditions spéciales ». En 1967 des Plans d’Occupations des Sols (POS) ont été encadrés par la loi d’orientation foncière. La conservation des sols a été considérée dans le dispositif de prévention des risques naturels en 1972 avec la mise en place du plan Zones Exposées aux Risques de Mouvement du Sol et du Sous-sol (ZERMOSS). La même année a été mise en place les plan d’Exposition aux Risques Naturels prévisibles (PER), qui détermine les zones exposées aux risques Naturels ainsi que les mesures de prévention. En 1994 a été mise en place le Plan de Prévention des Risques Naturels Prévisibles (PPR) (Cojean, 2003).

Risques hydrologiques

Les risques hydrologiques représentent tous les dangers dus aux précipitations liquides ou solides. Dans cette partie nous allons essayer de caractériser les différents phénomènes naturels qui peuvent être à l'origine de risques hydrologiques qui peuvent menacer les différents aménagements de la station de ski de Puy-Saint-Vincent. Nous décrivons également les différents risques encourus et les mesures qui peuvent être mis en place pour les éviter ou pour les atténuer.

Le torrent est un cours d’eau de faible longueur et de forte pente (> 6%), caractérisé par des crues soudaines et violentes. Ces torrents peuvent donc transporter tout type de sédiments qui peut être de tailles et de volumes variables. Ces derniers peuvent être dévastateurs sous l’effet de ce qu’on appelle les écoulements de laves torrentielles et les dépôts sur les cônes torrentiels. Les laves torrentielles sont des mélanges de boues ainsi que des sédiments divers qui sont transportés sous l’effet de séquences de pluies intenses déclenchant un écoulement emportant les débris qui peuvent être très destructeurs. Ce genre d'écoulements avec le transport qui l'accompagne se produit dans les régions de forte pente et se déclenche avec l'augmentation des débits de ruissellement. En aval, lorsque le sol devient plus plat. Ces débris vont s’accumuler formant des dépôts sur les cônes torrentiels. 

Les mesures de prévention

La dynamique des phénomènes torrentiels dépend des aléas climatologiques et de nombreux paramètres environnementaux. L'évolution des risques associés aux phénomènes torrentiels pourrait être évaluée à partir de suivi des modifications de la largeur des bandes actives des torrents provoqués par les phénomènes torrentiels et les sapements des berges qu'ils peuvent provoquer.

Le site de la station de Puy-Saint-Vincent se situe en aval des cours d’eau Le Gyr, l’Onde et la Combe de Narreyrou. Donc la priorité pour un aménagement serait de protéger les personnes et les biens des conséquences  des phénomènes torrentiels. Pour cela on a pensé à l’aménagement d’un barrage perméable de sédimentation qui peut assurer une régularisation des débits solides lors des phénomènes exceptionnel qui peuvent être destructeurs.

Le principe de fonctionnement de ce barrage est simple, présence de petits crues qui laissent passer l’eau clair et retient les sédiments de grande tailles. La taille de crues dépend du type de barrage choisis. Selon (Van Effenterre, 1982), il existe plusieurs types de barrages : barrage de sédimentation, à grosses barbacanes, à pertuis, à fente et à grille métallique adaptable. Les sédiments sont retenus dans le barrage, leurs curage se fait soit d’une façon naturelle lorsqu’ils sont emportés par le courant soit manuellement par des engins adaptés. A cause des problèmes de colmatages qui peuvent survenir, l’intervention manuelle est souvent nécessaire surtout pour les régions forestières telles que Puy-Saint-Vincent avec la présence d’arbres dans les laves torrentiels (Figure 7). Pour une meilleure gestion des sédiments, on pourrait permettre à une entreprise de construction l’exploitation du bassin de sédimentation, qui est constitué par des granulats apportés par les torrents. Cette action doit être itéré à chaque crue afin de respecter un niveau de base de la retenue.

    

Figure 7- Emplacement potentiel du barrage perméable de sédimentation (source: Geoportail)

Risques et aléas géologiques

L’étude et la connaissance du contexte géologique est une étape incontournable avant toute construction d’aménagement et davantage encore pour la création de barrages et de retenues collinaires. En effet, le sol a un rôle extrêmement important à jouer dans les fondations, pouvant à lui seul être responsable du succès ou de l’échec du projet. Pendant de nombreuses années, cette étape a été négligée, occasionnant des catastrophes à plus ou moins grande échelle. 

Buts et méthodes de l’étude géologique

Il existe plusieurs méthodes de prospection disponibles pour réaliser les études nécessaires à l’implantation d’une retenue : la cartographie, les photos aériennes et les études sur le terrain (Comité Français des Grands Barrages, 1997). Aujourd’hui, l’intervention d’un géologue professionnel est requise dans la plupart des cas. Les buts de cette étude sont diverses : elle permet de replacer le site dans un contexte local et régional, de déceler d’éventuelles conditions géologiques rédhibitoires à toute construction, d’orienter le déroulement de la suite des études et éventuellement d’affiner le lieu d’implantation de la retenue en tenant compte de toutes les observations faites. L’étude tectonique tient notamment une part prépondérante afin de repérer la présence de potentielles failles sismiques actives qui pourraient affaiblir les fondations. Rappelons que les secteurs montagneux, et particulièrement les Alpes en constante formation, sont des zones très actives. 

Les différents aléas géologiques

Les informations suivantes sont tirées du livre Retenues d'altitude de L. Peyras et P. Mériaux (2009). 

La prise en compte des aléas géologiques est un point capital pour la construction d’une retenue, notamment en milieu montagnard où les versants sont souvent instables. Certains aléas peuvent être responsables de l’abandon pur et simple du projet car ils représentent un risque non maîtrisable et trop important. Nous allons ici développer trois types d’aléas liés à la géologie : les mouvements gravitaires rapides, les mouvements gravitaires lents et les instabilités souterraines.  

  • Les mouvements gravitaires rapides

Ce sont des mouvements rocheux, qui peuvent être classés en fonction de leur importance et du volume transporté. On distinguera les simples chutes de pierres et de blocs, les éboulements et les écroulements rocheux. On considère un bloc ou rocher comme un volume unitaire compris entre le dm3 et la centaine de m3. Une pierre présente un volume inférieur au dm3. On appelle une chute de pierres ou de blocs un mouvement impliquant un volume total inférieur à 500 m3 et où on considère qu’il n’y a pas d’interaction entre les différents éléments. On appelle un éboulement rocheux un mouvement impliquant un volume total supérieur à 500 m3 et où existent des interactions, des chocs, entre les éléments en mouvement. Ces interactions vont rendre la prévision de ces mouvements et la dynamique générale plus complexes. Il est important de connaître la composition du sol car le type de roche (magmatique, métamorphique, sédimentaires) ainsi que la végétation, la tectonique des sols ainsi que le climat vont être paramètres influents de la dynamique. L’étude géologique se fait en 2 étapes :

  • Localiser les zones de départ et évaluer leur activité (fréquence de départ et volume produit)

  • Délimiter la zone maximale de propagation

Il faut pour cela repérer les blocs arrêtés surplombant, et également réaliser une étude historique sur les précédents événements ayant eu lieu pour évaluer l’activité. Dans le cas de notre station qui est boisée on peut repérer les cicatrices sur les arbres (étude dendrochronologique) et dater les blessures. Tous ces indices d’activité sont appelés des témoins silencieux (présence en falaise de zones de couleurs différentes et très contrastées pour repérer les points de départ, les arbres blessés avec fragments de roches dans le tronc, impacts dans le sol sous forme de cratère, blocs dans les arbres, etc).

Reconstituer les trajectoires potentielles de chacun de ces mouvements peut s’avérer fastidieux car beaucoup de paramètres entrent alors en jeu. Il existe des logiciels de simulation mais les résultats doivent être interprétés avec prudence. Les études sur le terrain sont indispensables pour repérer ces indices non repérables par cartographie. 

  • Les mouvements gravitaires lents

Ce sont principalement des glissements de terrain. Ce sont des mouvements naturels qui permettent de rétablir l’état d’équilibre naturel perdu par la disparition des glaciers qui ne jouent plus le rôle de support. Même si ce sont des mouvements naturels, la réalisation d’aménagements et notamment la construction d’une retenue peut engager un mouvement du fait d'une surcharge locale ou de l'augmentation des pressions interstitielles dans le sol engendrée par des fuites de la retenue. Il existe deux types de glissements : le premier est un glissement plan sur une couche dite « savon ». Le second est le glissement rotationnel. Il est plus facile de prévoir un glissement plan car la couche savon est souvent reconnaissable grâce aux études géologiques préliminaires, mais le glissement rotationnel se produit de façon plus courante. L’utilisation de photos aériennes peut permettre de reconnaître des indices quant à ces instabilités tels que des décrochements, des éboulements actifs, des zones de bombements, synonymes de l’activité du mouvement. Des observations sur site nous permettront de trouve des indices tels que des failles, mais aussi des fracturations ou des schistosités.

  • Les instabilités souterraines 

Elles sont le plus souvent liées à la présence de karst ou de poches de gypse pouvant entraîner des effondrements. Les formations karstiques sont des formations très poreuses : elles présentent des difficultés à retenir et l’eau et sont instables en entraînant parfois la rupture de grottes et donc un affaissement du terrain. Elles sont à éviter sur les sites de construction. La recherche des instabilités liées au quartz peut être réalisée grâce aux cartes géologiques et à des observations de terrain. Les indices les plus courants à repérer  sont la présence d'affleurements de calcaires massifs, des formes de dolines ou la présence de lapiaz. Ces formes sont observables dans la Chartreuse par exemple. 

Figure 1: un lapiaz à la Dent de Crolles, dans le massif de la Chartreuse (Isère) Source : Wikipedia

La présence de gypse représente également un critère qui peut être rédhibitoire. De formule CaSO4·2H2O, cette roche évaporite est composée de sulfate de calcium. Elle est particulièrement sensible à l’eau. Elle est formée par la superposition de plusieurs feuillets successifs, reliés entre eux par des liaisons faibles. En cas d’infiltrations locales d’eau, ces liaisons vont être fragilisées entraînant la dissolution du gypse, ce qui peut provoquer des effondrements. Ce sont des phénomènes bien connus dans les carrières de gypse notamment en la région parisienne. Pour cette raison, une attention particulière devra être apportée à l’étanchéité de la retenue et du réseau si du gypse venait être trouvé sur site.
La présence de gypse n’est pas aisée à reconnaître. En plus des cartes géologiques, une étude de terrain est plus que jamais nécessaire avec le repérage de cargneules, des roches vacuolaires jaunâtres avec des reliefs découpés. Une eau sulfatée pourrait également être synonyme d’un sol contenant du gypse (voir le contexte géologique et qualité de l'eau). 

Figure 2- cargneule (source: site Géologie et patrimoine, Matheysine et alentours) 

De manière globale, la composition souterraine au niveau local est à prendre en compte. La présence d’argiles est à vérifier car elles sont soumises à des variations importantes de volume : elles peuvent gonfler en présence d'eau et se rétracter en période de dessiccation, provoquant des mouvements au sein de la retenue. La présence d’une couche meuble hétérogène en profondeur peut également induire des phénomènes de suffusion, où l’érosion souterraine provoque un affaissement de la surface. 

Contexte géologique de la station de Puy-Saint-Vincent

Nous allons ici étudier le contexte géologique de la station, et nous intéressant plus particulièrement aux sites éventuels retenus pour la construction de la retenue. 

  • Constitution du sol et contexte géologique

La station de Puy-Saint-Vincent est située dans la région Briançonnaise, dans le département des  Haute-Alpes. Située dans le massif des Ecrins-Pelvoux, ce dernier fait partie des massifs cristallins externes. 

Figure 3- carte géologique des zones alpines et ensembles rocheux rencontrés dans les Alpes occidentales françaises (Source : www.geol-alp.com)

Les roches constituant le sol au niveau de la station sont principalement sédimentaires et métamorphiques. Les cartes géologiques du Briançonnais montrent que le haut de la station est principalement formé de flyshs et de conglomérats nummulitiques (roches sédimentaires calcaires). On remarque également une ceinture de gypse (en rouge sur les figures 4 et 5) située juste au-dessus de la ville de Puy-Saint-Vincent. Même si elle ne semble pas très étendue et située vers le bas de la station, et que le gypse ne semble pas très présent dans la vallée de la Vallouise, des études plus approfondies sur le terrain, notamment la réalisation de carottages au niveau des sites choisis pourraient être nécessaires afin de confirmer cela. 

Figures 4,5,6: cartes géologique de Puy-Saint-Vincent, indiquée dans le cadre rouge, et leur légende. La commune étant située la jonction de quatre cartes géologiques différentes, elles doivent être compilées afin d'avoir une idée du contexte géologique global.

La localisation de la station dans les Alpes peut également induire localement la présence de roches métamorphiques. Les schistes, lorsqu’ils se délitent en feuillets, deviennent particulièrement instables et sujets aux mouvements gravitaires rapides. Une étude locale permettra d’évaluer leur présence au niveau des sites sélectionnés. ​

  • Etude des aléas géologiques et sites de construction

Plusieurs sites potentiels ont été sélectionnés pour construire la retenue collinaire. Ils sont au nombre de quatre. Nous allons nous intéresser aux caractéristiques géologiques de chacun d'entre eux afin d'estimer les aléas géologiques que nous pourrions rencontrer et ainsi évaluer leur potentiel de construction respectif. Les données satellites utilisées datent de 2010.

Figure 7- présentation des quatre sites potentiels de construction de la retenue (Source: Google Earth)

Ces sites ont été choisis en collaboration avec le binôme 1 afin qu'ils répondent aux différentes contraintes hydrologiques et de construction. Le trait rouge délimite les contours du bassin et de la station. 

Site 1:

 

Figure 8- emplacement du site 1 à l'ouest du bassin. Les coordonnées exactes sont indiquées en bas de l'image (source: Google earth).

Ce site est situé sur un replat naturel, ce qui est un atout pour la construction, évitant ainsi des travaux de terrassement trop lourds. Cependant, il est situé sous un relief présentant des signes d'instabilité. En effet, la présence de zones plus claires à l'ouest du site marquant une frontière plus ou moins nette peut être synonyme d'une dynamique des sols, notamment pour les mouvements gravitaires lents ainsi que des éboulements. 

Figure 9-  vue du site 1 et exposition à des pentes supérieures à 30° indiquées en rouge  (Source: www.skitrack.fr)

Cette carte permet de voir que le site 1 est bien situé à l'aval de pentes supérieures ou égales à 30°, ce qui représente un risque non négligeable de mouvements gravitaires. Des études de terrain plus poussées seront nécessaire afin de déterminer la cohérence du sol et les risques d'éboulement. La mise en place de mesures de sécurité lors de passage d'engins ou la mise en place de protection devront être envisagées en cas de construction (voir la construction d'aménagements associés à la retenue)

Site 2: 

Figure 10- emplacement du site 2, à l'ouest du bassin, au-dessus du site 1 (source: Google earth)

Il est constitué d'un lac naturel. Situé à proximité de la ligne de crête, il peut être sensible à certains aléas climatiques comme des vents forts, de l'érosion, l'apports de particules éoliennes, un ruissellement fort. Cependant, son environnement boisé lui confère une protection contre ces aléas ainsi qu'une cohésion du sol pour éviter les glissements de terrain. En cas de construction, un boisement maximum devra être conservé afin d'assurer cette protection. 

Figure 11- vision surplombante du site 2. Estimation de l'exposition à des pentes supérieures à 30° ainsi que de la proximité avec la ligne de crête (source: Google earth)

Site 3: 

Figure 12- emplacement du site 3 (Source: Google Earth)

Le site 3 est situé sur un plateau naturel. Du fait de son emplacement, il n'est pas directement menacé par des éboulements. Cependant, il est très exposé aux aléas climatiques. La proximité de pentes supérieures à 30° situées en aval nécessiteront une étude approfondie du sous-sol afin de prévenir tout mouvement gravitaire lent que pourrait occasionner une surcharge locale créée par la retenue.

Figure 13- Exposition du site 3 aux pentes supérieures à 30° indiquées en rouge. (Source: www.skitrack.fr)

Site 4:

Figure 14- Emplacement du site 4 à l'est du bassin et de la station. (Source: Google Earth)

Cet emplacement est situé à l'est de la station, sur la ligne de crête séparant le bassin versant de la combe de Narreyrrou. De la même façon que pour le site 3, il n'est pas directement menacé par des phénomènes d'éboulement du fait de sa position surplombante, mais sa proximité avec des pentes supérieures à 30° doit être prise en compte.

Figure 15- vision surplombante du site 4 et proximité avec des pentes supérieures à 30°. (Source: www.skitrack.fr)

Conclusion de l'étude et avertissement:

Ces observations préliminaires se basent uniquement sur des cartes géologiques et des images satellites. Elles ne permettent pas de connaître toutes les caractéristiques géologiques avec précision, mais permettent d'avoir une première impression. Des études de terrains sont absolument nécessaires pour repérer les caractéristiques locales, avec notamment des carottages afin de déterminer les caractéristiques du sol qui sont primordiales. 

 

Risques avalancheux

Les avalanches regroupent tous les phénomènes mettant en jeu une masse de neige qui se met brusquement en mouvement et progresse rapidement jusqu'en bas d'une pente. Elles représentent un danger pour la retenue car elles peuvent provoquer sa rupture. Nous ne nous intéresserons ici qu'aux facteurs fixes intervenant dans l'identification des risques. 

Figure 1- photo d'une retenue collinaire impactée par une avalanche. (Source: http://rga.revues.org/1471)

Les différents facteurs influençant la stabilité du manteau neigeux

Différents facteurs interviennent dans la stabilité du manteau neigeux, donc dans le déclenchement d'avalanches. Les informations suivantes sont issues du site de l'Institut pour l'Etude de la Neige et des Avalanches WSL

  • La topographie

Elle comprend la forme du relief mais aussi ses caractéristiques favorisant les avalanches comme dans les combes ou les couloirs d'accumulation situés souvent à proximité des crêtes. 

  • La pente

La pente joue un rôle clef car elle est synonyme de gravité, moteur de l'avalanche. La plupart des avalanches se produisent sur des pentes entre 30° et 40°. 

  • L'exposition

Ce terme comprend à la fois l'exposition au soleil mais aussi l'exposition au vent. Les pentes donnant au nord vont rester longtemps à l'ombre en hiver, ce qui les privera d'un ensoleillement direct. Or ce dernier est responsable des différentes transformations de la neige (alternance de fonte et de regel), ce qui provoquera le tassement et donc la consolidation du manteau neigeux. Au contraire, les pentes orientées au sud recevront un ensoleillement direct favorisant un tassement rapide et une consolidation du manteau neigeux. L'exposition au vent est également importante: les pentes soumises à l'accumulation de neige présenteront une augmentation locale de la charge ainsi qu'un manteau non cohésif donc favorable au déclenchement d'avalanches. La végétation est également à prendre en compte. Comme pour les glissements de terrain, un site boisé favorise la cohésion du manteau et ralentira la progression de la coulée de neige. 

Etude de la station de Puy-Saint-Vincent

Nous étudions les emplacements des quatre sites potentiels pour la construction de la retenue en fonction des risques d'avalanche. 

Figure 2- carte des pentes supérieures à 30° du domaine skiable de Puy-Saint-Vincent (source: www.skitrack.fr)

D'après la carte, il semblerait que seuls les sites 1 et 2 pourraient être directement menacés par des coulées de neige en amont. La position surplombante des sites 2 et 4 semble les protéger de ces aléas. Une coulée dans la retenue pourrait avoir de lourdes conséquences sur la retenue elle-même mais également sur les installations situées en aval (voir l'étude en cas de rupture de la retenue). La mise en place de moyens de protection contre les avalanches pourra être envisagée (voir construction des aménagements associés à la retenue), à la fois pour protéger les installations mais également pour protéger les accès lors de l'apport des matériaux. Ces données peuvent être vérifiées avec la carte des avalanches produites dans le passé donc susceptibles de se produire de nouveau. 

Figure 3- exposition des différents sites potentiels de construction aux avalanches potentielles du domaine skiable de Puy-Saint-Vincent. En rose sont indiquées les avalanches rapportées par témoignage, en beige sont indiquées les avalanches probables par interprétation des phénomènes passés (source: Géoportail)

 

En compilant ces informations, il semblerait bien que seuls les sites 1 et 2 soient directement menacés par des avalanches. 

Conclusion de l'étude et avertissement:

L'étude des cartes topographiques et des phénomènes passés permettent d'estimer les risques potentiels des différents sites par des phénomènes avalancheux. Cependant, les facteurs variables climatiques et météorologiques sont indispensables à mettre en relation suivant les années. 

 

 

Risques sismiques

Les informations suivantes sont en parties tirées du livre Retenues d'altitude de L.Peyras et P.Mériaux (2009).

>Les risques sismiques sont à prendre en compte dans le choix du site de construction pour la retenue. La prévention quant à ces risques va dépendre du type d'ouvrage construit et des conséquences que pourrait engendrer une rupture. Lorsque que les conséquences du séismes se cantonnent à un voisinage immédiat, on dit que l'ouvrage est à "risque normal". Au contraire, lorsque les conséquences peuvent s'étendre beaucoup plus loin, notamment pour les retenues situées en aval de construction ou lieu de résidence, on estime l'ouvrage à "risque spécial". En France, on utilise généralement la notion de séisme maximal possible (SMP) correspondant au séisme "le plus pénalisant pour le site et concevable au regard de la tectonique régionale". Il est estimé à partir du séisme historique maximum vraisemblable (SMHV). Ce dernier traduit le postulat selon lequel un séisme ayant eu lieu dans le passé peut se produire de nouveau sur la même zone active et avec une puissance comparable. Il est ainsi basé sur plusieurs critères donnés par la circulaire DPPR/SEI du 27 mai 1994.
Le risque sismique peut en premier lieu être apprécié par la carte de zonage sismique de a France.

Figure 1-  Zonage sismique de la France. Source:Prim.net (source: http://www.risquesmajeurs.fr/le-zonage-sismique-de-la-france) 

Le massif abritant Puy-Saint-Vincent est classé dans une zone sismique modérée. En effet les Alpes, en constante formation, sont connues pour leur activité sismique. 

La superposition des cartes du relief avec les cartes géologiques de la région permet d'estimer le contexte local au niveau de chacun des sites potentiels. 

Figure 2- visualisation des quatre sites potentiels avec superposition des cartes topographiques du bassin et des cartes géologiques. Le bassin est délimité en rouge. (Source: Google Earth et Géoportail)

On remarque sur cette carte la présence de plusieurs failles situées à proximité des sites 1, 2 et 3. Ces failles, si elles s'avèrent effectivement actives par des mesures sur le terrain, peuvent induire des micromouvements et causer des déséquilibres locaux. On considère que la présence d’une faille potentiellement active (ayant montré une activité dans le quaternaire récent) peut être une cause d’abandon du projet, notamment dans le cas des grandes retenues. Ces données seront donc à prendre en compte lors du choix du site final. 

 

Contexte géologique et qualité de l'eau

Des études préliminaires géologiques peuvent être réalisées à partir de cartes géologiques et de campagnes de terrain afin de déterminer les caractéristiques chimiques de l'eau présente dans le bassin versant. Cette eau étant captée, stockée puis utilisée pour la production d'eau potable, il est important de connaître ses caractéristiques afin d'adapter les traitements en aval (voir la partie sur la production d'eau potable dans la station). Cette eau a ruisselé et a circulé en profondeur dans le sol, et sa composition chimique a pu être modifiée du fait des caractéristiques géologiques des sols. De nombreux phénomènes de dissolution, cristallisation mais aussi des contaminations peuvent avoir lieu. Certaines roches vont enrichir l’eau en minéraux, alors que d’autres vont l’appauvrir. Le contexte géologique général et local est donc un point important dans la détermination des eaux.

Notre lieu d’étude est situé dans le bassin versant de la Haute-Durance et Serre-Ponçon, dans le sous-bassin de la rivière Gyronde. Les roches de ce bassin ont été classées de moyennement érodables. L’érosion peut être responsable de la présence de particules dans l’eau qui devront être éliminées lors de la production de l’eau potable. Cependant, dans notre étude, nous nous situons au sommet de ce bassin versant, nous pouvons donc supposer que la charge en particules est très faible. Les eaux de montagne sont en général limpides et peu contaminées. Cette hypothèse sera toutes fois à vérifier par des analyses de l’eau au niveau local.

Afin d’estimer le potentiel impact du contexte géologique sur la qualité de l’eau, des études de terrain doivent être réalisées au niveau local, à proximité des sources captées pour la production d’eau potable (Schéma Directeur d'Alimentation en Eau de la commune de Puy-Saint-Vincent). Trois sources sont utilisées pour alimenter Puy-Saint-Vincent :

  • La source du Rat ou de Pra Loubet
  • La source de Narreyroux ou de Pra Devers ou de Devez
  • La sources des Mondes

La proximité avec les glaciers est également importante à prendre en compte.

La source du Rat 

La source du Rat est située au sein de la couverture superficielle glaciaire, en aval d’affleurements de calschistes. La particularité de cette source est la présence de gypse en amont qui peut entrainer la minéralisation de l’eau et son chargement en sulfates. Le gypse est une roche exogène composée de sulfate de calcium. Sa structure est composée de l’empilement d’ions calcium et de sulfates reliés par des liaisons faibles, ce qui le rend vulnérable par l’attaque de l’eau. En rompant ces liaisons, on observera un dégagement de sulfates dans l’eau. Il existe aujourd’hui de normes concernant la concentration en sulfates et des procédés pourront si nécessaire être mis en place lors de l’étape de traitement de l’eau afin de respecter les doses maximales.

La source de Narreyrou

La résurgence de cette source se fait au niveau d’éboulis, plutôt dans un contexte argileux. La perméabilité des éboulis peut rendre la source vulnérable aux plusieurs contaminations. La présence d’argile demandera également une attention particulière concernant le taux en matière en suspension et la turbidité de l’eau.

La source des Mondes

La résurgence se fait au niveau d’éboulis constitués de grès. La présence de grès induit des eaux douces, peu minéralisées, mais agressives pouvant abimer les conduites (une eau trop douce provoque la corrosion des canalisations et peut demander un traitement par reminéralisation).

Le contexte géologique peut également donner des indications sur la qualité de l’eau. Par exemple la dureté de l’eau traduit sa teneur en minéraux notamment en calcium et en magnésium. Une eau trop dure aura des impacts sur les canalisations avec des dépôts de calcaire. 

Impacts de la neige de culture sur le milieu naturel

Dans un contexte de réchauffement climatique, les stations de basse et moyenne altitudes doivent faire face à un manque croissant de neige, ce qui les pousse à investir pour s'équiper de systèmes de production de neige artificielle. Mais du fait de sa fabrication, la neige de culture diffère de la neige naturelle par ses propriétés physiques et chimiques, occasionnant des modifications sur le milieu naturel. 

Problématiques associées à la production de neige artificielle

Impacts météorologiques associés à la production et à la manutention de la neige artificielle

L’un des impacts environnementaux de la neige de culture est la pollution atmosphérique. La production de neige artificielle s'accompagne de l’émission de très petites particules dans l’atmosphère. La concentration de ces particules ultrafines peut atteindre 20 000 particules par cm3 alors qu’en condition normale la concentration est seulement de 500 à 800 particules par cm3. Ces particules sont en majorité de diamètre inférieur à 50 nm ce qui pourrait empêcher leur condensation en pluie ou neige, et donc l’assèchement des nuages (Thorens, 2007).

Impacts de la production de neige artificielle sur le cycle de l’eau

Le processus de production de neige artificielle affecte significativement le cycle de l’eau. En effet, il est perturbé à deux niveaux : lors des prélèvements, ce qui modifie le volume d’eau présent dans la source, et lors du stockage et de la production qui provoquent un déficit local temporaire en eau. Ces problèmes s'accompagnent souvent des pertes ayant lieu lors des différentes étapes (fuites, évapotranspiration). Près de 30% de l’eau peut être perdue par évaporation durant le processus (De Jong, 2007). En ce qui concerne la station de Puy Saint-Vincent, les besoins en eau pour la production de neige artificielle à prélever ont été évalués à 50 000m3. On aurait donc besoin de pomper 65 000 m3 d’eau pour satisfaire ces besoins annuels. Les pertes seront donc évaluées à 15000m3 d’eau. Sachant que ces besoins se concentrent en période d’étiage (période de basses eaux), cela pourrait avoir des conséquences environnementales importantes sur le milieu aquatique. Elles pourraient d'autre part engendrer des pressions importantes quant à la disponibilité de l'eau puisque ces périodes correspondent à des périodes d'activité de la station durant lesquelles les besoins en eau potable sont élevés.

Impacts de la neige artificielle sur l’hydrosystème

Introduction

De nos jours, les stations de ski ayant recours aux usines de production de neige artificielle se multiplient. Cette neige de culture permet de fournir une hauteur de neige suffisante pour la pratique des sports d’hivers. Dans les Alpes, l’enneigement artificiel s’est surtout développé au début des années 80 à la suite d'épisodes de faible enneigement et qui ont été attribués au phénomène de réchauffement climatique. La neige de culture soulève aujourd'hui la polémique avec d'un côté les associations de protection de l’environnement qui attirent l'attention sur les impacts environnementaux associés à l'emploi de la neige artificielle et de l’autre, les gestionnaires des stations et les acteurs concernés par la stimulation des activités socio-économiques de la région.

La neige artificielle peut avoir des impacts nocifs pour le milieu montagnard notamment en ce qui concerne l’hydrosystème. Dans les Alpes, l’enneigement artificiel est surtout pratiqué durant une période relativement courte entre fin novembre et début décembre avec un taux d'environ 50% de l’enneigement annuel. Le reste est réparti durant les mois de janvier et février. Cette section est consacrée à l'identification et à l'analyse des différents impacts de l'utilisation de la neige artificielle au niveau de la station de Puy Saint-Vincent et sur le fonctionnement du système hydrologique de la région.

Problématiques associées à la production de la neige artificielle

  • Cadre juridique concernant la production de neige artificielle en France

Il n’y a pas de réglementation propre à l’aménagement d’usines pour la production de neige artificielle. Dans ces conditions ce sont les lois générales qui s'appliquent, notamment  les dispositions relatives à la police des eaux, celles relatives à la police des Installations Classées (IC) ainsi que les codes d’urbanisme (LE SERVICE D'ÉTUDES ET D'AMÉNAGEMENT DE LA MONTAGNE, 1995).

  • Problématique hydrique de la production de neige artificielle

Le rapport de synthèse de la Commission Internationale pour la Protection des Alpes (CIPRA) sur ‘l’enneigement artificiel dans l’Arc Alpin’ décrit les impacts que pourraient avoir la production et l'emploi de la neige artificielle au niveau des Alpes sur les ressources présentes dans le milieu montagnard et en particulier sur les ressources hydriques. Pour compenser le manque d’épaisseur de neige, de grands volumes d’eau sont nécessaires. Les stations prélèvent l’eau pour la production de neige artificielle soit à partir de réseaux en eaux superficielles et souterraines, soit à partir des réseaux de distribution d’eau potable ou, parfois, à partir d'aménagements hydroélectriques.

En ce qui concerne la station de Puy Saint-Vincent, l’eau est prélevée dans une retenue d’altitude. Une nouvelle retenue est envisagée dans le cadre de ce projet dans l’hypothèse de l’agrandissement du domaine skiable et du parc touristique. Le choix de cette nouvelle source présente deux intérêts majeurs : la disponibilité relativement importante de l'eau dans la retenue permet d'une part de produire de la neige, d'autre part de produire de l'eau potable dans une période où la demande est maximale. La production de neige à partir de l'eau issue de la retenue permet également d'éviter les prélèvements dans le réseau d’eau potable (Badré et al, 2009). Les prélèvements directs risquent en effet d'engendrer des impacts environnementaux sur la ressource notamment au cours des périodes d'étiage et les prélèvements sur le réseau d'eau potable risquent d'augmenter la pression sur les ouvrages de stockage et sur les réseaux hydrauliques. Ces risques sont d'autant plus marqués durant les périodes où les prélèvements sont importants qui correspondent souvent à des périodes de forte activité dans la station.

Les volumes d'eau nécessaires à la production de neige artificielle sont relativement importants : 1 mètre cube d’eau permet de produire en moyenne 2,5 mètres cube de neige. L’enneigement de base correspond à une hauteur de neige de 30 centimètres. Par conséquent, l'enneigement d'un hectare nécessite un volume d'eau d'environ 1000 mètres cube. Ces volumes nécessaires peuvent être largement dépassés au cours des épisodes de climat doux et pourraient à long terme augmenter avec le réchauffement climatique

  • Problématique énergétique de la production de neige artificielle

Au-delà des besoins croissants en eau, la production de neige artificielle est un processus fortement consommateur d’énergie. Cette consommation d'énergie comprend d'une part l'énergie nécessaire au pompage de l’eau à partir de la source et son acheminement jusqu’à l’usine, d'autre part l'énergie nécessaire au procédé de production. Selon l'enquête réalisée par le service d’Etude et d’Aménagement touristique de la montagne en 2002, les besoins énergétiques annuels s'élèveraient à 25 426 kWh par hectare de piste enneigée soit l'équivalent de 5 fois la consommation électrique d'un foyer de quatre personnes (Tableau1).

En ce qui concerne la station de Puy Saint-Vincent dont la superficie des pistes couvre 39 ha, les besoins énergétiques s'élèvent à peu près à un million de kWh. Avec les extensions prévues, les pistes vont couvrir une superficie totale de 60 hectares. Les besoins s'élèveraient donc à 534 000 kWh d’énergie en plus, soit l’équivalent de près de 80 fois la consommation annuelle électrique d'un foyer de 4 personnes.

Tableau 1- Consommation hydrique et électrique annuelle pour les besoins de l’enneigement artificiel dans les alpes en allemagne (SEAT, 2009) 
             

Impacts sur les sols, la faune et la flore

Même si les canons à neige ont montré leur importance d'un point de vue économique afin d'assurer un enneigement minimum pour l'ouverture de la station, la neige artificielle a de nombreux impacts à différentes échelles sur les sols, sur la flore ainsi que sur la faune. Ces trois aspects sont intimement liés.  

  • Des propriétés physiques et chimiques différentes

Du fait du processus fabrication (voir le fonctionnement des canons à neige), la neige artificielle contient d'avantage d'eau que la neige naturelle, et a donc une densité plus élevée. En effet, on estime que sa densité varie entre 500 km/m3 et 700 km/m3 suivant la saison, alors qu'elle ne dépasse pas 400 km/m3​ pour la neige naturelle (Keller, et al., 2004). Cette différence est à l'origine d'une fonte tardive qui peut être retardée de 4 semaines dans les endroits les plus sensibles. Ces différences peuvent directement impacter le milieu naturel. 

  • Augmentation de la température du sol

La neige a naturellement un effet isolant. Lorsqu'elle se dépose, elle assure une température de 0 degré, empêchant le sol recouvert de descendre à des températures négatives. Elle empêche ainsi le gel du sol et des plantes recouvertes. La neige artificielle, plus dense et plus durable, réduit les pertes de chaleur et provoque l'augmentation de la température du sol. La prolongation des  températures proches de zéro peut avoir de nombreuses conséquences sur la microfaune du sol, notamment avec un développement accru des champignons au dépend des bactéries (Robroek, et al., 2013).  

  • Modification de la structure du sol

Un sol non recouvert de neige va subir une alternance de cycles de gel et de dégel permettant d'apporter de la cohésion au sol et ainsi d'en améliorer la structure. Cet phénomène est important pour les sols des stations du ski qui du fait de nombreuses manipulations (terrassement, remblais, déboisement, création de pente) n'ont parfois aucune structure définie. En modifiant les temps de couverture des sols, la neige artificielle peut entraîner la perturbation de ces cycles. Sa densité plus élevée va également provoquer une plus grande pression par unité de surface et peut ainsi réduire sa porosité.

  • Impacts sur la chimie du sol

L'eau utilisée pour la production de la neige artificielle est en grande partie issue du ruissellement, du captage de sources ou du pompage dans des cours d'eau. Cette eau qui a déjà parcourue un long chemin s'est chargée en différents minéraux et sa concentration en ions sera plus élevée que pour de l'eau directement issue de précipitation avec un pH légèrement plus élevé. Cette apport supplémentaire peut entraîner un enrichissement minéral des sols et perturber le fonctionnement local des micro-organismes et des végétaux. La forte densité de la couverture neigeuse va également limiter les échanges gazeux entre le sol et l'atmosphère, allant même jusqu'à créer des conditions locales d'anoxie  (Caravello, et al., 2006). Il faut également prendre en compte des pollutions indirectes résultant du fonctionnement des canons à neige, comme des fuites d'huile par exemple. 

  • Impacts sur la végétation

La végétation peut être impactée de plusieurs façons. Tout d'abord, le retard de fonte peut retarder la repousse des nouveaux plants puisque ces derniers devront percer la couche neigeuse avant de se développer. Les températures resteront proches de 0 plus longtemps et les jeunes pousses subiront un manque d'ensoleillement durant cette période ce qui peut entraîner une réduction de la biomasse (Robroek, et al., 2013). Une neige plus dense et plus lourde sera plus difficile à percer par les jeunes plants et le développement de plantes cryogènes sera favorisé aux dépens des autres espèces moins résistantes qui ne pourront percer la couche de neige. On assistera donc à une modification du peuplement végétal et à la dominance de certaines espèces, avec la possible diminution des graminées. La végétation est également un facteur indispensable à la cohésion des sols grâce au développement des racines. Or, sur les pistes de ski, cette cohésion est largement diminuée par les travaux préalables de déboisement et de restructuration. La diminution de la biomasse et le mauvais développement des plantes peuvent entraîner une augmentation des phénomènes d'érosion (voir érosion et impacts sur le paysage).
La végétation peut également être impactée par les modifications chimique du sol occasionnées par la neige de culture. En effet, les processus locaux d'absorption au niveau des racines sont dirigées par les pressions osmotiques ou les teneurs en protons. Les équilibres ioniques sont essentiels pour maintenant les phénomènes de turgescence. L'enrichissement en ions des sols ou la modification du pH occasionnés par la neige de culture peut facilement perturber le fonctionnement au niveau des racines, et donc le développement de la plante dans son ensemble (Niraula, 2006). 

  • Impacts sur le paysage et érosion

La création de pistes de ski provoque des modifications importantes du paysage, notamment avec les travaux de déboisement, de terrassement mais aussi du fait des infrastructures. La neige de culture, du fait de ses caractéristiques, peut augmenter les phénomènes d'érosion et modifier de façon drastique le paysage. La couverture végétale assure la cohésion du sol grâce au développement des racines et protège le sol nu contre les précipitations et le ruissellement. En empêchant le bon développement végétal, la neige de culture contribue à favoriser le phénomène d'érosion qui est naturellement présent du fait des fortes pentes.Ainsi, il est aisé de voir ce phénomène en été sur la plupart des station.  Ce risque d'érosion est d'autant plus accentué que la surcharge locale de poids ainsi que les sols gorgés d'eau auront tendance à s'affaisser. De nombreux exemple de glissements de terrain de terrains sur des sols gorgés d'eau ont lieu chaque hiver, avec un exemple parlant dans les Pyrénées cet hiver. 

Sur le haut de la station de Puy-Saint-Vincent, des signes d'érosion sont visibles par image satellite, notamment au niveau des différentes pistes de ski. 

Figure 1- signes d'érosion en haut de la station. (Source: Google Earth)

  • Impacts sur la faune

Ils peuvent être de plusieurs types. L'impact le plus important est le bruit du fonctionnement des canons à neige. Ils émettent entre 60 et 80 décibels (le bruit du marteau-piqueur est estimé à 120 décibels). Leur mise en fonctionnement se fait la nuit, lorsque les températures sont inférieures à zéro afin d'optimiser la production de neige. Or c'est la période où les animaux sont les plus actifs, lorsque les pistes se vident de leurs skieurs et où l'obscurité apporte des abris contre les prédateurs. Leur comportement naturel en sera donc modifié. De même, le retard de la revégétalisation des pistes, ainsi que la modification des espèces présentes, peuvent impacter l'apparition des insectes, oiseaux et autres animaux sauvages qui pourraient en dépendre directement pour l'alimentation ou la reproduction (Niraula, 2006). Une biomasse insuffisante pourrait occasionner un manque de nourriture pour les herbivores et un déséquilibre de l'écosystème local. 

  • Le cas particulier de l'ajout d'adjuvants

Dans certains pays, un additif biologique est utilisé dans la production de la neige artificielle comme agent de nucléation et de germination qui permet la production de neige à des températures plus élevées. Le produit le plus connu, le Snomax, utilise une bactérie inactivéePseudomonas syringae. Cette méthode a été utilisée en France entre 1992 et 2005 dans quelques stations des Alpes. Mais des questions ont été soulevées quant aux impacts sur les sols, la qualité microbiologique des eaux ainsi que sur la santé humaine. Le problème de la contamination des eaux de fonte a notamment été soulevé  lors d'une étude de l'ANSES, l'Agence nationale de sécurité sanitaire de l'alimentation, de l'environnement et du travail (voir rapport de mai 2008). Son utilisation a donc été suspendue par le Syndicat National des Téléphériques de France (SNTF), mais pas interdite. En effet, en France, l'utilisation d'adjuvants pour la production de neige artificielle n'est pas réglementée, contrairement à certains pays comme l'Allemagne ou l'Italie. En France, des adjuvants ont été utilisés il y a quelques années comme l'iodure d'argent puis abandonné du fait de sa toxicité pour l'homme et l'environnement. Mais son utilisation, même brève, a sûrement laissé des traces dans l'environnement fragile qu'est le milieu montagnard. De la même façon, un ensemencement de l'eau en sels minéraux peut être pratiqué. En effet, les minéraux naturellement présents dans l'eau comme le magnésium, le calcium pour la kaolinite constituent également des agents de nucléation. Cette manipulation entraîne une modification de la chimie de l'eau de fonte, qui aura des impacts sur les caractéristiques chimique du sol et des cours d'eau situés en aval. 

Conclusion de l'étude

Tous les impacts potentiels décrits doivent être ajoutés à ceux provoqués par la construction d'une retenue collinaire, indispensable au stockage de l'eau pour la production de neige artificielle (voir les impacts de la construction d'une retenue collinaire en contexte montagnard). L'écosystème montagnard peut être profondément modifié, aussi bien d'un point de vue physique que chimique, perturbant le précieux équilibre de ce milieu. Bien que les apports d'un point de vue économique sont justifiables, ces impacts sur le milieu naturel sont à prendre en compte de façon sérieuse. Des moyens d'optimisation ainsi que des mesures compensatoires peuvent être envisagées afin de concilier ces différents aspects (voir l'exemple de l'enneigement de nouvelles pistes).  

 

 

Exemple de l'enneigement de nouvelles pistes

Le projet prévoit l'enneigement de nouvelles pistes sur la station de Puy-Saint-Vincent. Deux nouvelles pistes ont été pressenties pour l'installation de canons à neige du fait de sa faible altitude pour le choix 1 ou de son exposition pour le choix 2 (voir Hypothèse d'agrandissement du domaine skiable). Nous commencerons pas détailler les impacts pour le choix 2. 

Choix 2

Les pistes candidates à l'enneigement artificiel traversent plusieurs zones avec des caractéristiques topographiques et écologiques différentes. La première partie est située sur la ligne de crête. Le domaine skiable n'est pas situé dans une zone protégée d'un point de vue réglementaire (voir les Impacts sur les sols, la faune et la flore) , mais des zones protégées sont situées juste à proximité, de l'autre côté de cette ligne de crête. Le fonctionnement des canons à neige ainsi que la neige artificielle elle-même ont des impacts non négligeables sur les écosystèmes (voir Impacts sur les sols, la faune et la flore) et peuvent dans ce cas impacter fortement ces zones protégées adjacentes.

  • Les eaux issues de la fonte de la neige artificielle déposée sur la ligne de crête peuvent ruisseler sur les zones protégées et porter préjudice aux sols et à la flore, impactant par conséquence la faune. Ces effets potentiels seront d'autant plus marqués que la situation sur la ligne de crête demandera d'importantes quantités de neige, le vent balayant toute neige sur ces reliefs. 
    Pour limiter ces impacts, la production de neige devra être évitée lorsque le vent est trop fort pour réduire les dépôts sur l'autre versant. Il faudra également éviter les dépôts de l'autre côté de la ligne de partage des eaux pour éviter le ruissellement des eaux. 
     
  • L'altération des sols, le retard puis la disparition progressive de la végétation, la surcharge locale ainsi que l'augmentation de la saturation en eau des sols sur la crête sont des facteurs qui s'ajoutent à une une zone déjà naturellement exposée aux aléas climatiques, notamment au vent et à un ruissellement fort. Ils auront pour l'effet d'augmenter les phénomènes d'érosion, allant au pire des cas jusqu'à induire des glissements de terrains. Ce risque est majoré par la présence de pentes supérieures à 30°.

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Figure 1- vision du domaine skiable dans son ensemble. Les zones rouges indiquent la présence de pentes supérieures à 30° susceptibles de créer des avalanches. Les 4 sites potentiels pour l'implantation de la retenue sont indiqués par des étoiles. 

Afin de limiter ces impacts, une attention particulière devra être portée sur la revégétalisation des sites concernés. En effet, cette dernière est un aspect important pour la cohésion du sol et ne devra pas être négligée. Un ensemencement artificiel pourrait être envisagé.  

  • Le bruit occasionné par le fonctionnement des canons est également prendre en compte. Il n'est pas arrêté d'une vallée à l'autre. En raison des températures plus froides, la production de neige se fait la nuit, lorsque la faune est la plus active. Les zones protégées abritent des espèces animales (voir l'inventaire des espèces protégées) dont le comportement nocturne peut être altéré par le bruit notamment en perturbant leurs repères. 
    Pour limiter ces impacts, le fonctionnement des canons devra être réduit à quelques heures dans la nuit voir déplacé en fin de journée, dès que les températures deviennes négatives. L'existence de périodes clefs pour certaines espèces devra au préalable être identifiée afin d'éviter le fonctionnement durant ces périodes. Il faudra également envisager un fonctionnement en journée si les conditions le permettent. 

La deuxième partie de la piste est située en domaine boisée abritant une faune riche et diversifiée. De la même façon que pour la première partie de la piste, le bruit occasionné par le fonctionnement des canons peut avoir un impact sur la faune locale, notamment sur celle d'une potentielle zone humide située à proximité. 

Choix 1: 

La majeure partie de la piste pressentie pour l'installation de canons à neige est située en milieu boisé. Même si les risques d'érosion  et de glissement de terrain semblent moins importants que pour le choix 2, la perturbation de la faune quant à elle semble inévitable. C'est d'autant plus vrai que la piste passe à proximité d'une zone de protection du Tétra Lyre, espèce protégée (voir l'inventaire des espèces protégées). Les mesures afin de limiter les impacts citées pour le choix 2 seront également applicables. 

 

Impacts de la construction d'une retenue collinaire en contexte montagnard

La construction d'une nouvelle retenue collinaire sur le domaine skiable aura de nombreux impacts sur le milieu naturel, qu'ils soient sur le réseau hydrologique, la faune ou la flore proches ou distantes. Les risques de rupture sont également à prendre en compte pour les installations situées en aval. En effet, la décision de construire une retenue ne peut être prise qu'après une étude approfondie du terrain et une estimation des aléas et des risques encourus (voir l'Etude des aléas naturels). 

Impacts de la retenue sur le régime hydrologique

Présentation des impacts hydriques

Les prélèvements d’eau pour l’alimentation de la retenue à partir des cours d’eau naturels peuvent perturber le régime hydrologique et par conséquent perturber les habitats naturels des espèces présentes. Ils peuvent également engendrer des désordres dans les phases de dévalaison et de montaison, indispensables lors leur cycle biologique. Les impacts seraient donc présents aussi bien en amont qu’en aval du cours d’eau (Guide bibliographique et technique de définition des Débits Minimum Biologiques, page9).

                                   

Figure 1- Impacts potentiels des barrages collinaires et des prises d’eau sur la migration et la distribution des crevettes et poissons antillais (source: Fiévet, 1999)

Sur la figure 1, on peut voir les différentes conséquences que pourrait provoquer l’aménagement d’un barrage en amont ou en aval d’un cours d’eau ainsi que les impacts que peuvent provoquer les prélèvements. En les transposant à notre étude, les prélèvements au niveau du Gyr pourrait causer différents impacts qu’il faut prendre en considération. En effet ils pourraient provoquer la disparition des petites larves encore peu développées et donc fragiles. D’autre part, des normes débit réservé sont à respecter afin de garantir un débit minimum biologique assurant un milieu convenable pour l’épanouissement des différentes espèces présentes dans le milieu. Le non-respect du débit réservé pourrait avoir plusieurs conséquences : perte d'habitats, réduction du débit d’attrait qui permet d'attirer les poissons vers les ouvrages de franchissement, réduction du transport des éléments organiques et des minéraux vers la mer. En hiver, une quantité d'eau insuffisante peut causer la prise totale par le gel des rivières, mettant en péril la survie de toutes les espèces présentes pendant la saison froide.  

Mesures compensatoires

Le régime d’écoulement du cours d’eau du Gyr est un régime glaciaire. Son débit mensuel moyen peut varier entre 1 m3/s en hiver (période d’étiage) à 14 ou 15 m3/s en été et pourrait même atteindre les 18 m3/s, (www.vallouise.info). L’article évoque un projet de microcentrale d’EDF alimentée à partir du cours d’eau du Gyr. Il préconise de limiter les prélèvements nécessaires au remplissage de la retenue à un débit maximal de 2.5m3/s durant la période estivale de mai à octobre. Il permettraint ainsi d’assurer un débit convenable à la conservation des différents habitats du cours d’eau (débit minimum biologique) et de concilier tous les usages (eau potable, sports d’hiver, etc.) ainsi que l’évacuation des sédiments. 

Impacts sur la faune, la flore et sur les milieux fragiles

Que ce soit en plaine ou milieu montagnard, la construction d'une retenue a des impacts sur le milieu environnant. 

Impacts pour la faune et la flore environnants

Le fond de la retenue peut se retrouver en conditions anoxiques, c'est-à-dire que le milieu ne contient plus d'oxygène. Des bactéries anaérobies vont alors se développer et capter l'oxygène des nitrates apportés par ruissellement ou naturellement présents dans l'eau comme dans un contexte géologique contenant du gypse (voir contexte géologique et qualité de l'eau). Il y aura alors formation de nitrites, voir d'ammoniac gazeux dans le pire des cas.Ce dernier est toxique pour la faune et la flore, et on pourrait alors assister à un grave dépeuplement du périmètre. Le composition du géotextile utilisé pour assurer l'étanchéité de la retenue est également à prendre en compte. Des aléas naturels comme le gel ou la chute de pierre peuvent endommager le textile et causer une pollution du sol. 

Impacts paysagers

Lorsque la retenue est construite à flanc de montagne, elle change radicalement la paysage ainsi qu'une modification du régime hydrique local. Cet aspect est aujourd'hui à prendre en compte dans une société où le retour à la nature est prôné. Les retenues construites sur des terrains plats se fondent davantage dans le paysage, à condition qu'elles ne soient pas construites sur des zones humides (Peyras et al., 2009).

Impacts en cas de rupture

Certaines retenues sont construites en amont de zone d'habitation, elles constituent alors une menace réelle en cas de rupture. Ces risques peuvent être estimés avec une étude préalable des risques (voir l'étude des aléas naturels et l'étude en cas de rupture de la nouvelle retenue).

Impacts sur des zones particulières: les zones humides

D'après le code de l'environnement, une zone humide peut être définie comme des "terrains, exploités ou non, habituellement inondés ou gorgés d'eau douce, salée ou saumâtre de façon permanente ou temporaire; la végétation, quand elle y existe, y est dominée par des plantes hygrophiles pendant au moins une partie de l'année" (voir article L.211-1 du Code de l'environnement). Ces conditions si particulières sont propices au développement d’espèces végétales adaptées que l’on ne trouve nulle part ailleurs, ainsi qu’à la présence d’une faune riche, diversifiée et caractéristique. Elles sont donc considérées comme des zones naturelles d’intérêt écologique, faunistique et floristique de type 1 (ZNIEFF type 1), entrant dans la définition de « des secteurs de superficie en général limitée, caractérisés par la présence d’espèces, d’associations d’espèces ou de milieux rares, remarquables ou caractéristiques du patrimoine naturel national ou régional. » 

Figure1- photo d'une zone humide de montagne au bas d'un versant dans les Alpes de Haute Provence. (Source: la revue de l'Irstea) 

Les zones humides sont des zones très particulières avec un fonctionnement propre. Ce sont des milieux extrêmement fragiles, et la modification de leur milieu environnant peut entraîner leur disparition. Elles ont un rôle important dans la régulation des eaux du surface et souterraines en agissant comme des éponges. Elles stockent temporairement les eaux et permettent dans certains cas de limiter les crues. L'eau stockée peut également favoriser la recharge des eaux souterraines. Jouant le rôle de filtre, elles participe au maintient de la bonne qualité de l'eau (Peyras, et al., 2009). Quelques fonctions des zones humides sont résumées dans ce tableau: (Barnaud, G, et al, 2011). 

  • Fonctions pédologiques: elles participent à la rétention des sédiments et à l'accumulation de matière organique. Ces processus favorisent la formation des sols et à la régulation de l'érosion, particulièrement importante en milieu montagnard comme nous avons pu le voir précédemment.
  • Fonctions hydrologiques: elles ralentissent et peuvent constituer des réservoirs de stockage des eaux à plus ou moins long terme. Cette eau sera notamment utilisée lors de l'été en fonction des besoins, participant à la recharge des nappes et au soutien des étiages.. Cette particularité leur permet de réguler les crues, certes rares en montagne, mais également les laves torrentielles représentant cette fois un risque non négligeable. 
  • Fonctions biogéochimiques:  nombreuses et variées, elles assurent un maintient de la qualité de l'eau.
    • elles permettent le stockage et la transformation des nutriments, notamment le phosphore et l'azote.
    • elles piègent de nombreuses éléments comme les matières en suspension des cours d'eau les traversant, limitant ainsi la turbidité qui peut être un problème pour certaines espèces aquatiques présentes en aval. De la même façon, les zones humides retiennent les micropolluants ou pesticides qui peuvent être présents dans l'eau en aval de la retenue. La revégétalisation artificielle des pistes de ski qui est parfois une solution envisagée pour réduire l'érosion, mais aussi le fonctionnement des canons  neige peut entraîner le lessivage des produis chimiques. 
  • Fonctions liées à la biodiversité: elles permettent d'apporter un habitat pour de nombreuses espèces et communautés différentes. Du fait de leur forte teneur en nutriments et de la ressource en eau abondante, de nombreuses espèces végétales peuvent s'y développer, entraînant à leur tour un grand nombre d'insectes pollinisateurs ou pas. 
  • Fonction climatique: elles constituent des zones naturelles de stockage de carbone en le piégeant, jouant ainsi un rôle dans la régulation des processus de relargage de carbone actuels. 

Sites potentiels de construction sur le domaine skiable de Puy-Saint-Vincent

Sur la carte suivante, l'emplacement de deux zones humides potentielles ont été mis en évidence par observation d'images aériennes mais également grâce à des témoignages. 

Figure 2- emplacement de potentielles zones humides. (Source: Google Earth)

Le choix du site 1 ou du site 2 pour la construction de la nouvelle retenue collinaire entraînera la destruction pure et simple des zones humides présentes. Le site 3, quant à lui, n'est pas placé sur une zone fragile, mais juste au-dessus. Sa position surplombante peut-être également la cause de dommages sur les zones humides situées en-dessous. Lors de la construction et des travaux de terrassement, le dépôt de particules fines peut être responsable d'un comblement progressif de la zone située en aval. Le passage d'engins de chantier, ainsi que la surcharge locale créée par le stockage de milliers de mètres cube d'eau peuvent entraîner des mouvements de terrains qui pourraient alors recouvrir les zones. De plus, tout l'eau superficielle issue du ruissellement sur ce relief qui alimentait jusqu'alors les zones humides serait interceptée dans la retenue, provoquant leur assèchement progressif puis leur disparition. Dans les cas où des fertilisants sont utilisés pour revégétaliser les sites construits, il peut y avoir contamination par ruissellement causant une accumulation de nutriments dans les zones humides qui sont des zones naturelles de stockage, entraînant l'eutrophisation puis l'asphyxie progressive du milieu (Evette, et al., 2011). 

Les zones humides sont souvent des lieux choisis pour la construction de retenue du fait de leurs caractéristiques naturelles favorables: elles sont placées sur un replat et les conditions imperméables naturelles du sol permettent de retenir l'eau. Mais la confrontation de plusieurs enjeux économiques et écologiques donne souvent lieu à des désaccords, voire même des affrontements dans certains cas. Nous retiendrons les exemples de la construction du barrage de Sivens ainsi que de l'aéroport de Notre-Dame-des-Landes

Réduction des impacts et mesures compensatoires

La construction de retenues collinaires peut être indispensable dans certains cas, notamment dans un contexte d'explosion démographique ou de diminution de la couverture neigeuse par changement climatique. Il est difficile de trouver un site qui n'occasionnera aucun impact sur le milieu environnant, les contraintes topographiques, géologiques et hydrologiques étant très importantes en milieu montagnard. Malheureusement, les zones humides font partis des écosystèmes les plus dégradés sur le territoire français et dans le monde.  Si les enjeux économiques sont jugés prédominants, il peut exister des mesures visant à réduire les impacts ou à les compenser. Lors de la présentation du projet, des mesures compensatoires sont proposées par le Conseil National pour la Protection de la Nature (CNPN). Sur chaque site une étude d'impacts doit être être réalisée avec comme objectifs principaux: 

  • Identifier l'état initial du site et de son environnement
  • Evaluer le projet dans son ensemble
  • Identifier les différents sites possibles et les variantes du projet envisageables 
  • Evaluer les effets directs et indirects à court et long termes à partir de plusieurs critères environnementaux: habitats, faune, flore, paysage, patrimoine culturel, sol, eau air, bruit
  • Proposer des mesures visant dans l'ordre de priorité à supprimer, réduire, supprimer ces impacts. 

Les mesures compensatoires doivent être appliquées sur la même bassin versant affecté par la construction, ce qui ne laisse que peu de place en milieu montagnard où les bassins versants sont souvent petits et pentus. Elles ont pour but soit de recréer des "zones humides équivalentes sur le plan fonctionnel et de la biodiversité", soit de remettre en état "une surface de zones humides existantes" après la construction, et "ce à hauteur d'une valeur guide de l'ordre de 200% de la surface perdue" (SDAGE 2010-2015 Rhône Méditerranée, 2009) Cela signifie qu'en cas de destruction complète, la nouvelle zone humide devra faire le double de la première. 

La retenue pourra être aménagée de façon à recréer des milieux favorables à la faune et la flore. Tout retenue doit avoir un périmètre de sécurité pour éviter les accidents comme la chute et la noyade d'animaux sauvages (bouquetins, chamois). Le retour d'une biodiversité floristique doit être favorisé pour permettre le repeuplement par les insectes, vecteurs indispensables de la pollinisation de certaines plantes, maintenir la végétation et limiter les phénomènes d'érosion. Suivant le lieu choisi, les aménagements diffèreront, notamment avec la surface disponible. Il est parfois possible de conserver partiellement la zone humide en même temps que la retenue. Elle conservera sont rôle naturellement filtrant et la faune associée. Il faudra cependant prêter attention à la qualité de l'eau si celle-ci est destinée à la production d'eau potable. Concernant sont utilisation pour la la production de neige de culture, certains problèmes de santé peuvent se poser si l'eau n'est pas traitée et directement déposée sur les pistes, certains bactéries se développant et pouvant contaminer les skieurs. 

Figure 1- construction d'une retenue sur une zone humide partielle (source: Journal of Alpine Research)

Plusieurs projets prévoient la recréation de zones humides artificielles à proximité afin de conserver ce patrimoine naturel, mais leur fonctionnement complexe, leur biodiversité riche ainsi que leur formation très lente pouvant prendre des années rendent ces projets peu concluants.

Conclusion

Dans un premier temps, l'étude des besoins et ressources en eau actuels de la station de ski de Puy-Saint-Vincent a été réalisée afin d'évaluer la faisabilité d'un agrandissement et de mieux le définir.

L'étude de la réponse du bassin versant a permis de mettre en avant la possibilité de satisfaire l'hypothèse d'agrandissement du point de vue de la ressource de eau. Les débits simulés se sont démontrés très faibles et irréguliers sur la commune d'où la nécessité de trouver une autre source pour l'alimentation de la retenue. Un pompage dans la nappe d'accompagnement du Gyr au niveau de la confluence avec l'Onde a ainsi été envisagé. Une étude plus poussée pour proposer d'autres solutions alternatives aurait pu être menée. La modélisation du changement climatique (hausse des températures et des précipitations) a, quant à elle, permis de mettre en évidence plusieurs conséquences : le manteau neigeux tend à se réduire de plusieurs centimètres sur les décennies à venir, justifiant ainsi la nécessité de recourir à l'enneigement artificiel, et une fonte prématurée (de plusieurs semaines). 

L'étude du réseau de canons à neige associé au réservoir existant a permis d'évaluer l'évolution de la ressource en eau disponible pour les canons sur une saison. Les résultats ont été obtenus à partir de données d'enneigements des années précédentes. Cependant ces données ne prennent pas en compte les aléas quotidiens tels que la variation de température et les épisodes neigeux brutaux. Le manque d'informations sur la conception du réseau a nécessité certaines hypothèses sur les équipements hydrauliques du réseau d'adduction. La simulation a toutefois permis d'obtenir des résultats cohérents, validant ainsi nos hypothèses.

L'étude des ressources en eau potable de la commune de Puy-Saint-Vincent a, quant à elle, permis d'estimer la consommation journalière en eau. Les résultats obtenus sont approximatifs mais ont conduit à une modélisation de la distribution d'eau aux habitants.

Par ailleurs, l'étude du cadre réglementaire régissant la réalisation d’un projet en milieu montagnard, a mis en avant les différentes réglementations à respecter dans le cadre du projet ainsi que les institutions qui supervisent leurs applications. D’autre part, l'étude de l'état actuel des ressources en eau et géologique ainsi que de la faune et la flore présentes dans la région de Puy-Saint-Vincent, a permis de caractériser les différents impacts que pourraient induire les différents aménagements envisagés. Des mesures compensatoires ont été proposées afin d'y remédier. Une étude des risques a également été menée pour identifier les risques qui peuvent affecter ces aménagements et des mesures pour les atténuer ont été ensuite proposées. L'obtention de données plus précises et de cartes plus récentes, notamment géologiques, aurait permis une études plus approfondie. 

 

Dans un second temps, les hypothèses d'agrandissement, aussi bien au niveau du domaine skiable qu'au niveau du parc touristique, ont engendré de nouveaux besoins en eau auxquels il a fallu répondre. L'adaptation des aménagements a donc été traitées afin de répondre aux nouveaux besoins.

L'agrandissement de la retenue actuelle étant impossible, la conception d'un nouveau dispositif de stockage s'est imposée. Le choix du site d'implantation et le dimensionnement de la retenue ont été traité. Cependant, l'impossibilité de se rendre sur le site a  empêché la réalisation d'une étude géologique et géotechnique complète et limité ainsi l'approfondissement de l'étude. Il aurait pu être intéressant d'effectuer en parallèle un bilan des coûts que ce soit lors du choix du site d'implantation ou de celui des matériaux constituants la retenue afin de parfaire cette étude. Par ailleurs, au vu des risques identifiés, un soin tout particulier a été apporté aux ouvrages de protection associés à la retenue, notamment le paravalanche. En effet, le site choisi présente des risques d'avalanches et de glissements de terrain pouvant endommager l'ouvrage. Pour compléter l'étude, une rupture brutale a été modélisée. Elle entraînerait l'inondation de plusieurs zones habitées, justifint la nécessité des ouvrages de protection. 

Suite à la définition de cette nouvelle retenue collinaire, le réseau de canon à neige lié à l'agrandissement a pu être modifié. Ainsi, le nouveau réseau d’adduction a été modélisé. Pour cela, des canalisations issues de la nouvelle retenue et un raccordement vers le réseau existant ont été pris en compte. Deux choix distincts ont alors été testés. La simulation sur une saison a montré que chacun d’eux etait réalisable compte tenu de la connaissance du volume et du débit de remplissage de la nouvelle retenue. En particulier, les débits d’eau et les pressions de chaque canon à neige sont dans la gamme de valeurs attendues. D’un point de vue économique, cet aménagement du domaine skiable a un coût non négligeable pour une station de l’envergure de Puy-Saint-Vincent, de l’ordre de 2 millions d’euros pour la seule mise en place de la retenue, des canalisations, et des canons à neige. Il faut également ajouter à cela un surcoût énergétique d’environ 50 k€ annuel.

La détermination des besoins supplémentaires en eau potable a été réalisée sur l’hypothèse d’extension initiale. Cette hypothèse, faute de données actuelles, s’est basée sur une étude réalisée en 2003. Une usine de production d’eau potable, utilisant l’eau de la nouvelle retenue, a été dimensionnée afin d’alimenter les nouveaux logements. L’eau brute disponible a été estimée comme étant de bonne qualité, ce qui a permis de simplifier le nombre d’étapes de traitement nécessaires. Le manque de données concernant la qualité de l’eau n’a pas permis de faire un choix entre les deux procédés de filtration membranaire développés. La construction de la nouvelle usine a été couplée à la construction d’un nouveau réservoir. En effet, l’étude du réseau de distribution d’eau potable a montré qu’aucun volume supplémentaire ne pouvait transiter dans le réservoir principal, ce qui a conduit à la construction d’un nouveau réservoir. Il faut toutefois noter qu’il est possible de capter le volume d’eau supplémentaire dans la Source des Mondes sans dépasser ses capacités maximales. Cette possibilité n’a pas été étudiée pour prévenir une possible révision de l'arrêté préfectoral concernant les quantités maximales prélevables dans la source et pour proposer une alternative à la production d’eau potable.

Références

Remerciements

Nous tenions à remercier tout particulièrement tous les contacts qui ont eu la patience de répondre à nos nombreuses questions et qui nous ont permis de progresser dans ce projet.

 

Etude du bassin versant

Sites internet :

 

Documents :

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Contacts :

 

 

Enneigement artificiel et agrandissement du domaine skiable

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Etude des besoins en eau potable

Documents :

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​Station de traitement d'eau potable de Courchevel, OTV Véolia

​Cabana H., 2013, La filtration sur sable

Arrêté préfectoral n°2011-360-4, 26 décembre 2011

Charpentier J-C., 1999, Eléments de mécanique des fluides - Application aux milieux poreux, Techniques de l'ingénieur

Agence de l'eau Adour-Garonne, 2014,  Reminéralisation & Neutralisation dans les Unités de production d'eau potable

Coquelet A., 2011, Notice d'exploitation - Partie 2 : Nanofiltration, OTV France Sud

Coquelet A., 2011, Procédure des nettoyages chimiques, OTV France Sud

Hervieu K., 2015, Chloration double, Eurochlore.sas

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