Dimensionnement de la passe à ralentisseurs

A présent, il faut déterminer les dimensions des deux passes à poissons sélectionnées à partir de l'espèce cible et des paramètres hydrauliques étudiés précédemment. Tout d'abord, la passe à ralentisseurs mixte destinée aux poissons en montaison va être étudiée.

 

Calcul des dimensions

Un premier calcul des dimensions peut se faire à l'aide des formules et graphiques données dans l'ouvrage Passes à poissons : Expertise, conception des ouvrages de franchissement [3.2]. Une passe à ralentisseurs mixte se présente comme sur la figure suivante (vue de dessus).

- Vue de dessus d'une passe à ralentisseurs mixte -

[source : [3.2] ]

Sur cette figure, 6 rangées de deux chevrons d'ouverture 90° sont représentées. Néanmoins, afin de faciliter le centrage des embarcations (canoës-kayaks) dans l'ouvrage, la disposition des chevrons est inversée de manière à avoir la pointe d'un chevron à l'amont sur l'axe de symétrie.

Pour une truite, la dimension recommandée pour les ralentisseurs est $a=10$ centimètres. Ainsi, d'après l'ouvrage  la largeur de la passe B et la longueur d'une rangée de ralentisseurs p sont respectivement $B=14 \times a=1.4 m$ et $p=4 \times a=0.4m$. De plus, les trois bandes intérieures sont de largeur $l_1=0.5 \times a = 5cm$ tandis que les bandes extérieures font $l_2=0.25 \times a = 2.5cm$.

La pente $I$, quant à elle, est à choisir arbitrairement. Toutefois, dans le cas de la truite, il faut adopter une pente inférieure à 15-16%. Dans notre cas, nous choisirons une pente de 10%.

Il est ensuite possible de déterminer le débit adimensionnel $q$, la charge amont par rapport au 1er chevron $h_a$, la charge amont par rapport au radier $h_r$ et le tirant d'eau moyen $h$ définis sur la figure ci-dessous.

- Hauteurs d'eau en amont et dans la passe -

[source : [3.2] ]

Le débit adimensionnel est calculé grâce à la formule suivante : $$q=\frac{Q_{calage}}{B \times \sqrt{2g} a^{1.5}}=3.1$$.

Les deux hauteurs d'eau $h_a$ et $h$ sont ensuite déduites du graphique suivant correspondant à une pente de 10%.

- Relation entre le débit, la charge amont et le tirant d'eau -

[source : [3.2] ]

Ainsi, $\frac{h_a}{a}=4.1$ et $\frac{h}{a}=2.8$ soit $h_a=41cm$ et $h=28cm$ environ.

Ensuite, la charge amont par rapport au radier $h_r$ est calculée grâce à l'équation suivante : $$h_r=h_a+a-3\times a \times I       d'où        h_r=48 cm$$

Étant donné que la cote de la surface d'eau amont pour le débit de calage est de 617.03mNGF, la cote du radier au niveau du premier chevron $C_1$ et la cote de déversement du ralentisseur amont $C_2$ sont respectivement $C_1$=617.03-$h_r$=616.55 mNGF et $C_2$=617.03-$h_a$=616.62 mNGF.

Enfin, il n'existe pas de formule afin de déterminer la cote du radier à la base du ralentisseur aval $C_3$ et ensuite la longueur $L$ de la passe. En effet, ceci est généralement déterminé d'après d'autres passes ayant démontré leur efficacité. Une première estimation de la cote est alors faite en approximant le dénivelé de la passe par la hauteur de chute d'eau soit 58cm. Ainsi, $C_3$=$C_1-0.58=615.97mNGF$. Sachant que la pente est de 10%, la longueur de la passe sera d'environ $L$=5.83m, d'où 15 rangées de ralentisseurs puisque $\frac{L}{p}=14.58$ or le nombre de ralentisseurs doit être entier. Finalement, on choisira $L$=$15 \times p $= 6 m et $C_3$=$C_1-0.6=615.95~mNGF$ où 0.6 m est le dénivelé de la passe recalculé.

Comparons à présent ces dimensions avec celles calculées par un logiciel dédié au dimensionnement des passes à poissons.

 

Comparaison avec les dimensions fournies par CASSIOPEE

CASSIOPEE est un logiciel permettant de dimensionner les passes à bassins, les passes à ralentisseurs et les prébarrages. Nous allons ici l'utiliser afin de vérifier les dimensions calculées ci-dessus et si le respect des limites biologiques de la truite est bien respecté au sein de la passe à poissons. L'interface propose de définir la pente $I$, la dimension des ralentisseurs $a$, le débit de calage $Q_{calage}$ et les niveaux d'eau amont et aval associés. Les différentes caractéristiques calculées par le logiciel sont présentées sur l'image ci-dessous.

- Caractéristiques de la passe à poissons à ralentisseurs calculées par CASSIOPEE -

Les cotes amont correspondent bien à celles que nous avions calculées. Toutefois, les cotes aval et donc le nombre de rangées de ralentisseurs et la longueur de la passe diffèrent légèrement puisque cela résulte plus d'un retour d'expérience que de formules précises. Nous retiendrons donc les dimensions suivantes :

- Dimensions retenues pour la passe à ralentisseurs mixte -

Finalement, ce logiciel permet de connaître les limites biologiques pour la truite fario dans le cas de la passe à ralentisseurs mixte dimensionnée. Deux graphes sont présentés sur la figure ci-dessous pour la vitesse débitante et les hauteurs $h$ et $h_a$.

- Limites biologiques pour la truite fario -

La vitesse débitante devra être comprise entre $0.982$ et $2.137 m/s$. D'autre part, le tirant d'eau moyen devra évoluer entre 12 et 54 centimètres tandis que la charge amont devra rester 18 et 80 centimètres. Cependant, ces limites sont atteintes pour des débits inférieurs à $0.118m^3/s$ et des débits supérieurs à $1.608 m^3/s$ ce qui se trouve être en dehors de notre plage de fonctionnement, à savoir entre $0.549$ et $0.667m^3/s$. Les valeurs de cette plage de fonctionnement ont été obtenues à partir des dimensions de la passe à ralentisseurs et de la hauteur $h_a$ associée aux débits $Q_{25}$ et $Q_{75}$ du tronçon court-circuité.

Avec les dimensions retenues, la passe à ralentisseurs mixte semble donc convenir au passage de la truite fario. Néanmoins, il est nécessaire de modéliser l'écoulement dans l'ouvrage afin de vérifier la formation de recirculations et de vérifier la valeur des vitesses observées.

 

Validation de la passe dimensionnée

La passe à ralentisseurs a été modélisée à l'aide des logiciels ANSYS ICEM CFD et FLUENT. Compte tenu de la précision du maillage nécessaire, il a été impossible de modéliser la passe entière. Seuls deux rangées de chevrons ont été modélisés. 

- Passe modélisée sous ANSYS ICEM CFD -

Ce maillage a ensuite été exporté vers le logiciel FLUENT afin de mettre la passe en écoulement. Pour cela, une simplification a été faite : le milieu a été défini comme monophasique (uniquement de l'eau) en définissant une frontière supérieure située à une hauteur égale au tirant d'eau moyen $h$=28cm au-dessus des ralentisseurs. Pour cette frontière, la condition limite "symétrie" a été choisie.

En imposant le débit de calage en entrée, il est possible de visualiser les vitesses dans une section transversale. La section x=0.4m a tout d'abord été choisie, ce qui correspond à la section située entre les deux rangées de chevrons. Le résultat est donné sur la figure ci-dessous.

- Vitesse de l'écoulement en x=0.4m obtenue avec FLUENT -

On constate la présence de zones de faibles vitesses autour de l'axe de chacun des deux chevrons : la vitesse est alors inférieure à 1m/s et atteint jusqu'à 0,2m/s. Les ralentisseurs ont bien un impact sur l'écoulement et permettent de créer des zones de faible vitesse permettant au poisson en montaison de progresser à moindre effort.

Il est alors intéressant d'étudier l'origine de ces zones de faible vitesse. Pour cela, les vecteurs vitesses ont été tracés plutôt que les contours de vitesse. Afin de tester une autre section de la passe, le tracé suivant a cette fois été réalisé en x=0.6m ce qui correspond au milieu d'une rangée de chevrons.

- Vecteurs vitesse de l'écoulement au milieu d'un chevron -

On peut constater la présence de courants hélicoïdaux. Le principe de la passe à ralentisseurs est donc bien fonctionnel : les chevrons engendrent des courants hélicoïdaux qui permettent de créer des zones de faibles vitesses, les poissons en montaison peuvent alors progresser plus facilement afin de franchir la hauteur de chute.