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.