La continuité écologique dans les hydrosystèmes fluviaux

La continuité écologique dans les hydrosystèmes fluviaux

Sylvain Richard – ONEMA DIR8 Journée technique « continuité écologique » DREAL LR - 22 juin 2011

Photo S. Richard

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1. Définitions et bases biologiques - Continuité hydrologique

- Continuité physique

- Continuité biologique

2. Les obstacles et les impacts - Les ouvrages transversaux

- Les modifications morphologiques

- Les modifications hydrologiques

3. Stratégie de restauration de la continuité biologique - Connaître les ouvrages : le ROE

- Connaître leurs impacts à la dévalaison et à la montaison

- Evaluer les enjeux et les gains

4. Dispositifs de restauration et de réduction des impacts - Les solutions de restauration

- Les dispositifs de réduction des impacts à la montaison et à la dévalaison


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1. La continuité écologique : définitions et bases biologiques

DCE

SDAGE

Grenelle

LEMA

Pourquoi parler de continuité écologique dans un écosystème d’eau courante ? Pourquoi est-elle fondamentale pour le fonctionnement des cours d’eau ?

•  TBE et BE intègrent la notion de continuité écologique entre les habitats aquatiques

•  Définition : continuité de la rivière vis-à-vis des organismes aquatiques et du transport des sédiments

•  Classements des cours d’eau (L. 214-17 du CE)

•  Décret nomenclature eau (rubrique 3.1.1.0)

•  OF6A : restaurer la continuité biologique et les flux sédimentaires

•  Trame bleue

•  Ouvrages dits “Grenelle”


Régime hydrologique dans les cours d’eau (=débits)

Cycle de l’eau : précipitations - écoulements - évaporations

Continuité hydrologique à l’échelle d’un bassin versant

Continuité hydrologique à l’échelle d’un bassin versant


D'après Amoros & Petts, 1993

Longitudinale

Latérale

Verticale

Cycles hydrologiques

Morphologie des cours d’eau : hétérogénéité des structures physiques (lit, berge, fond, annexes…)

Continuité physique à l’échelle d’un bassin versant

Notion de dynamique fluviale

Transport solide

Régime hydrologique Topographie - Relief

port solid

Flux perpétuel de matériaux arrachés au bassin versant


  Le transport naturel des sédiments est nécessaire à l’équilibre morphologique du cours d’eau

  Il est à l’origine de la structuration et de la diversité des habitats aquatiques nécessaires à l’accomplissement du cycle biologique des espèces

  Pour qu’une rivière génère des habitats de qualité :

Des matériaux à transporter (des bois morts jusqu’aux

galets/blocs)

De l’eau qui coule avec des variations


Photo S. Richard

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  Organisation des structures physiques : pas de place au hasard

D'après Amoros & Petts, 1993

Forte pente Granulométrie grossière Diversité des habitats par les affluents

  Le transport solide est le garant de la présence d’un continuum longitudinal et latéral d’habitats aquatiques

Pente moyenne Granulométrie médiane (galets) Diversité des habitats par les bras secondaires

Faible pente Granulométrie fine Diversité des habitats par les annexes

  Logique morphologique et spatiale

  Organisation longitudinale et latérale



Les organismes aquatiques dépendent de ce continuum d’habitats

CYCLES BIOLOGIQUES/ BESOINS VITAUX

Habitats d’alimentation

Habitats de repos

Habitats de reproduction

Habitats de refuge

Déplacements/migrations notion de libre circulation

Migrations de montaison et de dévalaison

Périodes variables des migrations

Continuité biologique à l’échelle d’un bassin versant


•  Besoins migratoires très différents en fonction des espèces

> 1000 km > 20 km < 100 m < 1 m

•  Les poissons sont des indicateurs privilégiés de la libre circulation biologique

Truite fario : déplacements d’une dizaine de km (Ovidio et al., 2002) Brochet : 30 km parcourus en 2 mois (Ovidio et al., 2002) Barbeau commun : déplacements de 3,5 km (Ovidio et al., 2002) Sandre : déplacements de 35 à 45 km (Koelh, 2003)

Continuité biologique à l’échelle d’un bassin versant


2. Les altérations de la continuité écologique

Modifications des équilibres hydromorphologiques changements / altérations plus ou moins durables et intenses des conditions de continuité

L’origine de ces perturbations peuvent être extrêmement variables

•  Ouvrages transversaux

•  Modifications morphologiques

•  Modifications hydrologiques


Les ouvrages transversaux

•  Sont concernés par cette catégorie :

  Barrage

  Seuils

  Radiers artificiels

  Passages busés

  Digues


Les ouvrages transversaux


Photos S. Richard

Impacts des ouvrages transversaux sur la continuité

  Changement imposé d’habitats lié à l’ennoiement •  Élévation de la ligne d’eau •  Ralentissement des écoulements

•  Création d’une retenue

seuil bief

barrage plan d’eau

Fort impact qui ne peut être corrigé !


f

u habitats lotiques

Photo S. Richard Photo S. Richard

Photo S. Richard

  Changement imposé d’habitats génère des impacts •  Changement de la qualité de l’eau (↑↑ matières organiques/toxiques, ↓ oxygène dissous,

distrophie)

•  Augmentation de la température de l’eau •  Changement des communautés biologiques

  Dans certains cas, les nouvelles conditions d’habitats peuvent devenir elles-mêmes un obstacle !



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  Modification du transit sédimentaire

Dépôts de sédiments dans la retenue ou le bief

Dépôts en aval proche de l’obstacle (perte d’énergie)

Incision du lit (érosion progressive)

Érosion des berges



(p g )

biebief biefb

Photo S. Richard

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  Impacts sur les libres circulations biologiques à la montaison : •  Blocage complet de la migration

•  Retard de la migration

•  Concentration de poissons sur certaines zones de reproductions •  Isolement des populations


Blocage de la migration : régression de la répartition des grands migrateurs

Front de colonisation actuelle de l’Alose (cartes PLAGEPOMI 2010-2014)


Concentrations sur les zones de reproduction


Données ONEMA DR9


  Impacts sur les libres circulations biologiques à la dévalaison :

Blessures ou mortalités occasionnées par :

•  L’entraînement des poissons dans les prises d’eau

-  Des centrales hydroélectriques (turbines)

-  De refroidissement des centrales nucléaires et thermiques

-  D’irrigation ou d’AEP

•  Le passage des poissons par surverse au niveau des ouvrages évacuateurs de crues


Dommages subis par les poissons dévalants lors de leur passage dans les installations hydroélectriques

  Blessures ou mortalités au niveau des grilles de prises d’eau   Blessures ou mortalités induites par les turbines


Photo M. Larinier

Photo M. Larinier Photo M. Larinier

Photo M. Larinier

Impacts des modifications morphologiques sur la continuité

  Sont concernés : •  Travaux d’endiguement •  Chenalisation

  Obstacle à la continuité biologique par les mises en vitesses et/ou les faibles hauteurs d’eau   Modifications morphologiques entraînant une modification des équilibres

sédimentaires


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Impacts des modifications hydrologiques sur la continuité

  Certains habitats sont infranchissables pour les poissons en raison des faibles hauteurs d’eau liées aux réductions de débit (H eau > 1,5 H poisson)

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3. Stratégie de restauration de la continuité écologique

3. La restauration de la continuité écologique

 Un préalable essentiel : le diagnostic •  Connaître la localisation et les caractéristiques des ouvrages

•  Connaître les impacts à la dévalaison

•  Connaître les impacts à la montaison •  Connaître les enjeux et les gains liés à la restauration

Photo S. Richard

Photo S. Richard

  Le Référentiel des Obstacles à l’Écoulement (ROE)

•  Localisation, typologie et usage des ouvrages transversaux

•  60’000 obstacles géoréférencés = 1 obstacle tous les 4 km de cours d’eau

•  Près de la moitié apparaissent sans usage avéré


  Caractériser les conditions de dévalaison au niveau des ouvrages


•  Conditions de dévalaison par la surverse (fosse de réception, hauteur de chute…)

•  Si ouvrage avec prise d’eau :

  Probabilités de dévaler par surverse au niveau du seuil : rapport entre le débit maximum dérivé et le module du cours d’eau

  Taux de mortalités lors du passage dans les turbines

  Efficacité d’un barrière physique

  Attractivité de l’exutoire de dévalaison

Photo S. Richard

Photo S. Richard

•  Sur les juvéniles de salmonidés

100%

2-5%

50% 20%

10%

Mortalités dépendent des caractéristiques des turbines et des individus :

•  Sur les anguilles : mortalités fois 4 à 5 !

Ainsi que des risques d’entraînement dans la prise d’eau (fonction de l’hydrologie, de la configuration de la prise d’eau, du comportement migratoire…)


A l’échelle d’un axe de migration, tenir compte du cumul des mortalités à chaque usine

Exemple : Stock de 1000 anguilles Passage de 10 usines avec un taux de mortalité de 10%

=> Seulement 350 anguilles arriveront à la mer (35% seulement du stock)


A l’échelle d’un axe de migration, tenir compte du cumul des mortalités à chaque usine

Exemple : Stock de 1000 anguilles Passage de 10 usines avec un taux de mortalité de 10%

=> Seulement 350 anguilles arriveront à la mer (35% seulement du stock)

Avant toute action de restauration de la franchissabilité à la montaison, s’assurer préalablement que la franchissabilité

à la dévalaison soit assurée !


•  Capacités de nage

•  Capacités de saut

•  Capacités de reptation

ESPECES CIBLES

•  Géométrie de l’obstacle

•  Conditions hydrauliques

OBSTACLES

  Caractériser la franchissabilité à la montaison d’un obstacle

COMPATIBILITE FRANCHISSEMENT


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La géométrie de l’obstacle et hydraulique

Hauteur de chute

Fosse d’appel

Forme de la chute

Largeur, pente et rugosité des coursiers et radiers


Les capacités de franchissement des poissons

  Les poissons nagent en utilisant la contraction de leurs muscles appelés myomères

  Contractions alternées de part et d’autre du corps mouvements ondulatoires

  Les nageoires servent :

•  À la propulsion

•  À la stabilisation

•  Aux changements de direction

  Certaines espèces nagent constamment (espèces pélagiques), d’autres par intermittence et d’autres occasionnellement (espèces de fond)

  Franchissement d’un obstacle : notions de performances de nage et de capacités de saut


  Caractérisée par la vitesse de déplacement et l’endurance

La notion de performance de nage

Nage de croisière

Nage soutenue

Nage de pointe

EFFORT ENDURANCE PHYSIOLOGIE

Plusieurs heures

Plusieurs minutes

Quelques secondes

Sans modification

Entraîne fatigue

Épuisement (acide lactique)


La notion de performance de nage

  Pour une espèce, la vitesse de nage dépend de la taille de l’individus et de la température de l’eau

Modèle semi théorique pour les Salmonidés (Larinier 1992)


Les capacités de saut

  Dépendent des espèces :

•  Certaines peuvent sauter (Salmonidés, Cyprinidés eau vive)

•  D’autres non (anguille, alose, espèces benthiques)

  Liées à la température de l’eau, à l’angle de la trajectoire, à la longueur du poisson

  Pour pouvoir sauter… il faut une fosse d’appel !


Les capacités de saut


(Larinier 1992)

Les Salmonidés

  Capacités de nage

  Capacités de saut

•  Truite < 1 m (difficultés à partir de 0,5 m)

•  Saumon > 1 m

•  Forte dépendance à la température de l’eau


L’Alose feinte du Rhône



saut •  L’alose ne saute pas

•  Elle nage dans la veine d’eau


Les Lamproies

Lamproie de planer (Lampreta planeri)

Lamproie fluviatile (Lampreta fluviatilis)

Lamproie marine (Petromyzon marinus)



•  Mauvais nageurs

•  Étude récente : LPP = 0,8 m/s (Besson et al. 2008)

•  Possibilité de se ventouser sur le substrat

saut •  Les lamproies ne sautent pas

•  Elles nagent sur le fond


L’anguille



  Capacité de reptation sur substrat humide

•  Civelles : 0,1 m/s

•  Anguillettes (10-15 cm) : 0,6 – 0,7 m/s

•  Anguillettes (20 cm) : 0,8 – 1 m/s

saut •  L’anguille ne saute pas

•  Elle nage à proximité du fond

•  Espèce au capacité de franchissement particulier

•  Peut ramper sur les substrats humides




Les autres espèces

•  Cyprinidés d’eau vive : jusqu’à 2 m/s (très variable d’une espèce à l’autre)

•  Petites espèces benthiques : < 1,2 m/s

saut

•  Cyprinidés d’eau vive : H < 0,3 m (très variable d’une espèce à l’autre)

•  Petites espèces benthiques : ne sautent pas mais nagent sur le fond


Types d’espèce Capacité de Saut Capacité de nage de pointe

Capacité de reptation

Salmonidés +++ +++ Ø

Lamproie Ø + +

Ang Ø ++ +++

Alose Ø +++ Ø

Cyp. Eau vive + ++

Ø

Petites sp. Benth. Ø + Ø


La compatibilité avec le franchissement des poissons

•  A considérer pour chaque espèce cible

•  Pour une espèce donnée, l’infranchissabilité d’un obstacle peut être : -  Totale (= en permanence pour tous les individus) -  Partielle (= pour certains individus, ouvrage sélectif) -  Temporaire (= pour certaines conditions de débits ou de température)


  Évaluer les gains écologiques attachés à la montaison

•  Position et fonctionnalité des frayères (prendre en compte les affluents)

•  Qualité des milieux amont (eau et habitats)

•  Conditions actuelles de continuité

•  Conditions futures de dévalaison

Chute naturelle

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Photo S. Richard

Photo S. Richard


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La restauration de la continuité écologique

  La seule solution de restauration : effacement des ouvrages   Peu d’expériences en France   Etats-Unis : ≈≈ 450 ouvrages effacés (dont 20 avec suivis)

4. Dispositifs de restauration et de réduction des impacts


•  Restauration transport solide (80%) •  Amélioration qualité biologique amont

(50%)

•  Restauration migration des poissons (35%)

•  Perturbations morphologiques – incisions, instabilité (15%)

•  Dégradation qualité biologique aval (20%)

•  Problème de qualité de l’eau (15%)

Quelques exemples d’effacements d’ouvrages

  Effacement du barrage de Kernansquillec sur le Léguer (22) – 1996

© Association du Léguer

© Association du Léguer © Association du Léguer © Association du Léguer


•  Construction : 1920 •  Hauteur : 15 m env.

•  Usage : papeterie


  Effacement du barrage de Saint Etienne du Vigan (48) – 1998


Photos ERN – SOS Loire vivante



•  Construction : 1895 - 1950 •  Hauteur : 12 m env.

•  Usage : hydroélectricité


  Effacement du barrage de Maison-Rouge sur la Vienne – 1998-1999

© G.Cochet

© N. Dieu


•  Construction : 1922 •  Hauteur : 4 m env.

•  Usage : papeterie - hydroélectricité


  Effacement du seuil du ruisseau de la Maria (58)


PNR Morvan – Durlet P. 2009

  Encadrer techniquement l’effacement si celui-ci est possible : •  Érosion du lit •  Érosion des berges

•  Déstabilisation et dépérissement des arbres de bordure

Berge de la Meuse en amont du seuil de Mécrin Berge de la Moselle en amont de l’ancien seuil de Vecoux


La restauration de la continuité écologique

Photo P. Baran Photo P. Baran

Les solutions d’atténuation des impacts

  Solutions techniques mises au point pour les poissons

  Concernent la montaison (passes à poissons, remplacement d’ouvrages)

  Concernent la dévalaison (prise d’eau ichtyocompatibles, turbines spéciales)

  Mesures de gestion des ouvrages possibles

  Difficultés techniques pour le transport solide…


Dispositifs de franchissement piscicoles à la montaison

  Les grands principes :

•  Scinder la chute totale en plusieurs chutes franchissables par le poisson

•  Diversifier les écoulements pour favoriser le franchissement

•  Caractéristiques hydrauliques adaptées aux capacités de nage et de saut des espèces cibles


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Photo M. Larinier

Les passes à ralentisseurs

  Pente de 10 à 20%

  Espèces : grands salmonidés et lamproies

  Sur petits barrages et sans fortes variations de niveau d’eau amont

  Pas adaptées aux cours d’eau à fort transport solide

  Fréquentes sur cours d’eau bretons et normands


Photo M. Larinier

Les passes à bassins

  Jets plongeants (échancrures) : adaptées au passage du poisson par sauts (Salmonidés, grands Cyprinidés d’eau vive)


Photo S. Richard

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  Jets de surface (fentes verticales) : adaptées au passage du poisson en nageant

•  Tolérance aux variations de niveaux d’eau amont et aval

•  Possibilités d’assez forts débits (Q>1 m3/s)


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  Échancrures triangulaires

•  Fonctionnement dans une large gamme de débits

•  Jets plongeants en étiage

•  Jets de surface aux débits plus importants

•  Adapté aux fort charriage



Photo S. Richard

Photo M. Larinier

Photo S. Richard

Les passes dites « rustiques »

  Principe : créer un chenal naturel en maîtrisant les conditions hydrauliques

  Les rampes en enrochements

•  Pente de 2 à 7 %

•  Rugosités de fond et installations de blocs

•  Adaptation à toutes les espèces

•  Place disponible – attractivité


Larinier et al. 2006

  Les rivières de contournement

Les passes dites « rustiques »


Photo S. Richard

Photo D. Baril

Photo M. Larinier

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Les passes à anguilles

  Faible alimentation en eau

  Pente importante (15 à 40°)

  Substrats de brosses ou de plots


Photo S. Richard

Photo S. Richard

Photo M. Larinier

Quel type de passes à poissons retenir ?

  A chaque ouvrage : une solution adaptée

  Il n’y a pas de recette universelle

  Principaux critères décisionnels :

•  Espèce(s) cible(s)

•  Débits transitant dans le dispositif

•  Variations des niveaux d’eau amont et aval

•  Caractéristiques du seuil

•  Accès / entretien


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Quelques grands principes de conception : l’attractivité

  C’est le grand challenge !

  Il faut attirer les poissons avec quelques % du débit concurrent (de 2 à 5%)

  Importance du positionnement du dispositif

  Implantation à proximité du débit concurrent

  Addition de débit d’attrait possible

  Si plusieurs entrées, plusieurs passes !


Larinier 1992

  Connaître et prendre en compte les variations de niveaux amont et aval

  Point fondamental pour le respect de l’hydraulique dans la « boîte »

  Le choix d’un type de dispositif doit être adapté aux variations de niveaux d’eau amont caractéristiques de la période de migration (étiage à 2 fois le module)

Calage hydraulique optimal

Mauvais calage amont Trop de débit entrant = trop de puissance et turbulences dans le dispositif

Mauvais calage aval déconnexion avec le plan d’eau aval et augmentation des hauteurs de chute dans le dispositif

Quelques grands principes de conception : le calage hydraulique


Les limites de la technique

  Les techniques mises en œuvre pour restaurer la franchissabilité présentent toutes des limites :

•  Sélectivité périodique des espèces

•  Attrait variable

•  Retards dans les migrations dus aux cumuls

•  Entretien, vieillissement

  On ne restaure pas totalement la continuité biologique en installant un dispositif de franchissement


Les dispositifs pour la dévalaison : les barrières physiques (prises d’eau « ichtyocompatibles »)

1. Dissuader les poissons de passer par les turbines plan de grille fine •  Préconisations pour smolts : écartement de 1 à 1,5 cm •  Préconisations pour anguille : écartement de 1,5 à 2 cm



2. Guider les poissons dissuadés vers un système de transfert vers l’aval •  Inclinaison du plan de grille pour limiter les vitesses tangentielles (env. 26°) •  Vitesse tangentielle maximale de 50 cm/s


Photo A. Richard

Photo M. Larinier

Photo M. Larinier

3. Transférer les poissons vers l’aval sans dommages : exutoire de dévalaison •  Débit nécessaire de l’ordre de 2% à 10% du débit dérivé •  Nombre et position des exutoires à ajuster

•  Goulotte dans prolongement pour évacuer le poisson en aval


Photo M. Larinier

Photo M. Larinier

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Les turbines « fish friendly » - exemple VLH

  Turbine ichtyophile® VLH (very low head)

•  Chute entre 1,4 et 2,8 m

•  Débit de 10 à 30 m3/s

•  Puissance de 100 à 500 kW

  Tests sur prototype à Millau

•  Mortalités moyennes 7% (0% au centre)

•  Modifications du contour et nouveaux tests (Mayenne)


Photo M. Larinier

Photo M. Larinier

L’arrêt des turbines

  Certaines prises d’eau ne peuvent être équipées de plan de grille spécifique pour l’anguille solutions alternatives nécessaires

  Connaître la cinétique de dévalaison (dans le temps et dans l’espace)

  Disposer de critères « d’alertes » fiables et accessibles (variations de débits, conditions météorologiques)

  Stratégie d’axe nécessaire

  Génère des pertes de production !

  Pas de résultats opérationnels jusqu’à présent… Recherche en cours !


Quelques éléments de synthèse…

  Les solutions techniques de restauration totale de la continuité consistent à l’effacement de l’ouvrage

- Ce ne sont pas les contraintes techniques qui posent le plus de problèmes mais l’adhésion des acteurs locaux (usages associés, aspect patrimonial, attachement des riverains…)

  En cas d’impossibilité d’effacement, aménagements de dispositifs permettant d’améliorer la franchissabilité de l’obstacle

-  Leur degré d’efficacité est variable

-  Pour les ouvrages avec retenue, ne règle pas les problèmes d’habitat

-  Leur mise en œuvre doit s’appuyer sur un diagnostic adapté et le respect de toutes les étapes du cahier des charges (de l’AVP au recollement)

-  L’efficacité doit être évaluée et contrôlée



Contributions : Dominique Baril, Philippe Baran, Hervé Demange

Merci de votre attention !

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La continuité écologique dans les hydrosystèmes fluviaux

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