Comité Français des Barrages et Réservoirs

Barrages et Environnement

Transports solides

Transports Solides

La construction d’un barrage en travers d’un cours d’eau dans une vallée a pour conséquences directes les principaux points suivants :

  • le régime des débits du cours d’eau est plus ou moins largement modifié ;
  • les caractéristiques du lit du cours d’eau au droit de la retenue sont profondément modifiés ;
  • les conditions dans lesquelles s’effectue le transport solide dans ce cours d’eau vont être complétement modifiées.

Lorsqu’un tronçon de la rivière est modifié, en raison des conséquences sur l’équilibre de l’ensemble du bassin versant, des perturbations plus ou moins importantes vont se manifester au niveau du bassin, tout particulièrement pour ce qui concerne le transport solide et la sédimentation.

Dans un lit de rivière stable, l’érosion, le transport et le dépôt de sédiments sont en équilibre.

La construction du barrage va rompre cet état d’équilibre en élevant le niveau de base d’érosion des cours d’eau situés en amont du réservoir. La réaction immédiate du système à cette anomalie est le dépôt de matériaux à l’intérieur de la retenue afin de rétablir le profil d’équilibre de la rivière. De la même façon, la rivière va réagir aux nouvelles conditions à l’aval du barrage. La nature de cette réaction peut être anticipée à l’aide des principes généraux énoncés par Lane en 1954. Celui-ci a suggéré qu’il existe un équilibre entre les apports solides et la grosseur des matériaux, d’une part, et d’autre part, entre les effets dynamiques représentés par la pente du lit et le débit liquide du cours d’eau.

A long terme, la retenue atteindra un état d’envasement avancé, même si une bonne gestion va pouvoir largement contribuer à retarder l’envasement total. La variation de la capacité de la retenue, l’engravement du lit à l’amont et l’affouillement à l’aval sont les problèmes principaux directement liés à la construction d’un barrage. Ils vont se manifester tout au cours de la vie de l’ouvrage.

Évolution de la retenue

Avec la présence de la retenue, les sections disponibles pour l’écoulement du cours d’eau sont largement augmentées et les vitesses d’écoulement vont être diminuées en proportion. En conséquence, la force tractrice disponible pour le transport des matériaux solides va elle aussi diminuer et il va en résulter un atterrissement dans la retenue en fonction de la forme de la vallée noyée : les matériaux solides transportés par le flot vont s’échelonner dans la retenue d’amont en aval et de la granulométrie la plus grossière à la plus fine.

Un delta sous-lacustre formé de matériaux grossiers va ainsi se former à l’amont de cette retenue. Sa forme et sa progression vont alors dépendre du régime des débits du cours d’eaux, ainsi que des variations de niveau dans le réservoir, et donc, dans une très large mesure, de la gestion organisée du réservoir.

Évolution de la partie amont du cours d’eau

L’apparition de ce delta va entraîner un exhaussement des fonds. Le relèvement du niveau de base peut, en plus de l’amputation d’une partie de la réserve utile, entraîner des conséquences sur l’amont de ce cours d’eau, en particulier :

  • une divagation du lit de la rivière, avec une réduction des tirants d’air sous les ponts, et les conséquences directes sur le transit des corps flottants, ou, si cette rivière est navigable, des restrictions de navigation ;
  • des submersions des terres riveraines lors des crues ;
  • l’apparition de zones humides par suite du relèvement du niveau de base de la nappe phréatique.

Évolution de la partie aval du cours d’eau

Le barrage en interceptant une fraction plus ou moins importante du transport solide et en modifiant sa granulométrie :

  • modifie largement le régime des débits du cours d’eau. Même lorsqu’il n’y a pas dérivation de ce débit, donc lorsque sur le cycle annuel du réservoir, il y a égalité entre le débit moyen naturel entrant et le débit moyen corrigé sortant, le barrage provoque une modification des courbes de débit du cours d’eau. De plus, on note le plus souvent un écrêtement des crues faibles et moyennes, celles qui sont, dans une très large mesure, responsables de la morphologie du cours d’eau. Cette modification du régime des débits peut être beaucoup plus sévère dans le cas des retenues assurant une régulation inter-annuelle des apports.
  • modifie les caractéristiques du lit : les débits régulés ainsi que la clarification des eaux entraînent, lorsqu’il n’y a pas dérivation d’une partie significative des apports, une érosion avec un gradient de débit solide va se déplacer vers l’aval, jusqu’au moment où l’équilibre sera atteint entre la force tractrice et le charriage. Il en résultera donc sur ce tronçon un sur-creusement du lit. Seule la mise en place de seuils rocheux pourra permettre la stabilisation du lit. En revanche, cet enfoncement pourra faciliter l’écoulement des crues, en particulier celles qui ne seront pas laminées par la retenue. Cet enfoncement va cependant avoir d’autres conséquences et en particulier :
    • affecter le niveau de la nappe phréatique de la plaine alluviale en abaissant la ligne d’eau, s’il s’agit d’une nappe de versant, ou en appauvrissant l’alimentation de cette nappe si celle-ci provient directement de la rivière.
    • entraîner la remontée du coin salé, donc la pollution de la nappe et des risques de remontée du sel dans les terres si l’on est près de l’estuaire de la rivière.
    • favoriser l’affouillement des ouvrages d’art et l’instabilité des berges.
    • perturber l’alimentation des différents ouvrages installés à l’aval du barrage (prises d’eau, installations de pompage, etc.)

Si une fraction des débits est soutirée dans la retenue, l’érosion sera forcément moins intense puisque le débit clarifié sera plus réduit. Mais il faut aussi noter que l’on peut avoir une saturation du débit restitué à l’aval lorsqu’il y a soutirage d’une eau clarifiée et restitution à l’aval d’une fraction importante du débit solide. Dans ce cas, il en résultera alors à l’inverse, une diminution du potentiel tractif disponible et des attérrissements vont alors se produire à l’aval du barrage. L’exhaussement qui va en résulter gênera l’écoulement des crues et provoquera des divagations du cours d’eau.

L’écrêtement des crues faibles et moyennes et le blocage des apports solides suppriment pratiquement les possibilités d’alluvionnement des champs d’inondation de la vallée. Il peut en résulter, s’il s’agit de limons fertiles donc riches en matières organiques, un appauvrissement de la plaine alluviale.

Le rapport général établi par G.R. Basson, président du Comité sur la sédimentation des retenues, de la Commission Internationale des Grands Barrages (CIGB/ICOLD), à l’occasion du Congrès de Brasilia (Q89-Brasilia 2009) permet de résumer les enjeux fondamentaux de la maîtrise de l’alluvionnement dans les retenues des barrages dans le monde entier :

  • on estime la capacité totale des réservoirs artificiels dans le monde à 7000 km3 ;
  • sur ce total, la capacité utile des retenues serait de 4000 km3 (3000 pour hydroélectricité et 1000 pour l’irrigation) ;
  • le volume d’eau annuel écoulé dans les rivières est estimé à 40 000 km3 ;
  • la charge annuelle en sédiments des rivières serait de 24 à 30 milliards de tonnes soit 0,6t à 0,75t/1000 m3 d’eau) ;
  • l’ évaluation de la perte de stockage annuelle dans les retenues correspond alors à 0,6% du stockage disponible, et cette perte annuelle équivaut à un coût de 10 milliards de dollars d’investissement par an.

Annexe : Publications de la CIGB relatives aux problèmes de transports solides

  • Bulletin 67 (1988) Maîtrise de l’alluvionnement dans les retenues - Recommandations
  • Bulletin 115 (1999) Gestion de l’alluvionnement dans les retenues
  • Bulletin 140 (2007) Mathematical modelling of sediment transport and deposition in reservoirs (en anglais uniquement)
  • Bulletin 147 (2009) Sustainable use of reservoirs and river systems (en anglais uniquement)

Questions liées à la sédimentation et aux transports solides et raitées lors des congrès de la CIGB

  • 1976 Les effets de quelques facteurs d’environnement sur les barrages et les retenues (Q47)
  • 1982 Alluvionnement des retenues et stabilité de leurs versants – Conséquences techniques et effets sur l’environnement (Q54)
  • 1988 Retenues et environnement - Expériences de gestion et de mesure d’impact (Q60)
  • 1994 Retenues en exploitation : expérience dans le domaine de l’environnement (Q69)
  • 1995 Retenues dans l’aménagement des bassins fluviaux (Symposium)
  • 1997 Comportement des retenues (Q74)
  • 2006 Gestion des impacts en aval des barrages en service (Q 85)
  • 2009 Barrages et hydroélectricité (Q88)
  • 2009 Rapport Général sur la question Q89 (Congrès de Brasilia) : Gestion de la sédimentation des réservoirs nouveaux ou existants.