Technologies pour la dévalaison des poissons

Ecran, by-pass, transfert : une introduction

La campagne d'assainissement écologique de la force hydraulique pour les petites centrales hydrauliques mises en service avant 2011, impose d'assurer la migration de tous les poissons d'ici à 2030, à la fois pour la montaison et la dévalaison. Or, la plupart des ouvrages de montaison ne sont pas ou peu adaptés à la dévalaison. Le guide sur le rétablissement de la migration du poisson publié par l'Office fédéral de l'environnement en 2022 (ci-après « guide OFEV ») présente les technologies propres à la dévalaison. Cet article propose de revenir sur quelques bases et également sur des technologies a priori prometteuses.

DIFFERENTS TYPES DE TECHNOLOGIES POUR LA DEVALAISON

Le guide OFEV regroupe les technologies pour la dévalaison en 3 thèmes : écran, dérivation et transfert. Par « écran » sont entendues toutes les barrières et autres grilles qui empêchent ou limitent le passage des poissons vers les turbines. Certaines barrières peuvent également guider les poissons vers un « by-pass ». Ces « by-pass » ou « dérivations » peuvent être des bassins, des canaux, des gouttières, mais aussi des ascenseurs. Et en plus des barrages à surverse ou sousverse, sous « transfert » sont classés les turbines ichtyocompatibles ainsi que des principes d'exploitation de l'aménagement hydraulique favorables aux poissons.

A la lecture du guide, il ressort que plusieurs technologies manquent encore de retour d'expérience et ne sont, de fait, pas approuvées à 100%. Pour certaines, davantage de tests sont notamment nécessaires. Finalement, du point de vue de la mise en œuvre de mesures d'exploitation, il est relevé que « les périodes de migration spécifiques aux espèces et aux tailles des poissons indigènes sont à peine connues et durent souvent des semaines, voire des mois (…) de sorte que les mesures d'exploitation permanentes deviennent rapidement disproportionnées ».

GRILLE HORIZONTALE ET GUIDAGE VERS L'ENTREE DE LA DERIVATION

Le guide OFEV précise que là où la taille de l'installation le permet (généralement les petites et moyennes centrales), la norme est un système composé d'une grille horizontale et d'un by-pass de dévalaison. En effet, par rapport à une orientation des barreaux à la verticale, la grille horizontale limite plus efficacement le passage des poissons et permet un meilleur guidage des poissons vers l'entrée du dispositif de dévalaison. Cette grille sera de préférence installée juste en amont de la turbine, et non pas à la prise d'eau. En effet, mieux vaut éviter que des petits poissons n'entrent dans le canal d'amenée et ne s'y développent, pour finir blessés dans la turbine.

Comment dimensionner ces grilles horizontales ? Grâce aux paramètres standards suivants : • espacement libre entre les barres (≤ 15mm), • angle (< 45°) et vitesse d'incidence de l'écoulement (≤ 0.5m/s).

Il convient toutefois de noter que le nettoyage d'une grille horizontale s'accompagne d'un dispositif de dégrillage spécifique ainsi que, la plupart du temps, d'un clapet de purge. Dans le cas des petites centrales fonctionnant avec un débit résiduel, l'ouverture du clapet de purge peut induire des variations de débits problématiques pour la faune aquatique.

Selon la composition piscicole concernée et si l'espacement entre les barreaux demeure trop grand, il peut également s'avérer possible de compléter la grille horizontale par une paroi plongeante ainsi qu'un sillon aménagé sur le fond selon les paramètres suivants : • profondeur d'immersion de la paroi plongeante (30 à 50% de la profondeur d'eau, ≥ 1m). • hauteur de sillon aménagé sur le fond (15 à 20% de la profondeur d'eau, ≥ 0.5m).

Une grille mécanique « traditionnelle » peut gagner à être combinée à une barrière comportementale à effet répulsif. Ainsi, il existe un système de grilles à câbles en acier électrifiés, dont la configuration est similaire aux grilles horizontales, à la différence-près que l'effet dissuasif permet de tolérer un espacement libre plus grand entre les câbles. Encore en phase d'essais sur plusieurs installations, ce dispositif présente deux avantages : un écoulement de meilleure qualité en amont des turbines et une diminution du risque d'encombrement par des déchets flottants. Il existe d'ailleurs une variante qui permet de détendre les câbles en cas de forte crue ou de fort charriage.

La grille horizontale sur le stand d'essais du VAW à Zurich. VAW

Le Laboratoire d'hydraulique, d'hydrologie et de glaciologie, le VAW, de l'école polytechnique de Zurich, ETHZ, a particulièrement travaillé sur les systèmes de grilles horizontales qui guident les poissons en direction du chenal de contournement de la centrale hydraulique. Ce programme de développement avait d'ailleurs fait l'objet d'une présentation lors de la journée technique de SSH en 2019.

Le guide OFEV décrit d'autres types et spécificités d'écran et de dérivation dont notamment les prises d'eau Coanda, considérées comme « adaptées aux poissons », même si le risque de blessures pourrait augmenter avec l'usure des profils de la grille.

TRANSFERT PAR LA TURBINE

Généralités Il est à noter que la configuration de certains sites ne se prête pas à l'installation d'une grille fine. Une solution pour les sites à basse chute pourrait être alors d'installer une turbine ichtyocompatible. Avec les avantages suivants. D'une part, le débit qui aurait été dédié uniquement à l'alimentation du dispositif de dévalaison peut être turbiné, et d'autre part, la grille en amont de la turbine est dimensionnée uniquement en fonction des déchets flottants problématiques pour la turbine, soit une perturbation moindre de l'écoulement.

Le guide OFEV ne recommande pas spécifiquement la dévalaison par les turbines, mais identifie diverses technologies comme présentant un « potentiel d'amélioration en ce qui concerne la dévalaison des poissons ». Parmi elles, les vis hydrodynamiques et les turbines VLH (pour Very Low Head ou très basse chute). Pour ces deux types, plusieurs critères de dimensionnement sont à prendre en considération. Outre le fait de prévoir un espace suffisant pour le transit des poissons, le principe de base est d'éviter les arêtes vives et les fentes dans lesquelles se coinceraient les poissons.

Comment une turbine pourrait-elle être considérée pour la dévalaison sur un site suisse ? Le guide OFEV précise qu'il s'agit de garantir un taux de survie d'au moins 95%, selon l'espèce de poissons. De plus, le nombre de blessures (déchirures des nageoires et perte d'écailles) doit être « faible ». Pour mieux comprendre comment une turbine peut devenir fish-friendly, l'exemple des turbines VLH. Présentation de la VLH La VLH est une turbine issue de la technologie Kaplan spécialement développée pour les chutes entre 1.7 et 5 mètres pour des débits assez importants (dès 10m3/s). Et un seul fournisseur : la société MJ2 Technologies, membre de Swiss Small Hydro. La VLH est donc à la fois une technologie de turbinage et une marque. Son développement s'est intéressé à trouver le meilleur compromis entre la dévalaison des poissons et l'efficacité énergétique. Des compromis mettant en jeu la vitesse de rotation du groupe (lente), la qualité de l'écoulement, la qualité de surface des parois mouillées, mais aussi le profil hydraulique de la turbine. Et d'autres mesures encore : • La vitesse d'approche de la turbine est faible, tout comme la vitesse de sortie. • Les pales ne comportent aucune zone affutée. • Le manteau de la turbine et sa roue ont un diamètre sphérique de manière à maintenir un jeu constant et adapté dans cet espace où les poissons pourraient s'infiltrer et se blesser. • L'aspirateur a été supprimé, soit un renoncement à valoriser l'énergie cinétique en sortie de groupe. • Tout choc mécanique est évité, la contrainte de cisaillement est nulle.

Mais, la protection des poissons ne va pas obligatoirement dans le sens de réduire les performances de la turbine. Ainsi, si une conception sphérique de la roue est plutôt favorable aux poissons, il en est de même sur la qualité de l'écoulement dans la turbine et donc ses rendements. Même constat pour une répartition homogène des pressions (pas de sauts de pression) dans la turbine. A noter que la VLH, si elle pourrait assurer la dévalaison, n'est pas conçue pour permettre la montaison.

Vue en coupe d'une VLH DN 4000. MJ2 technologies, www.vlh-turbine.com

La complexité des tests piscicoles Si aucune VLH n'est installée en Suisse, 140 sont actuellement en service, dont 80 en France et 5 en Allemagne, et ce, grâce à la validation de 12 tests piscicoles réalisés, pour la plupart, en France (sous la conduite du Professeur Larinier), mais également en Belgique, au Canada et en Allemagne. Dans ce contexte, le guide OFEV se réfère en particulier aux tests réalisés sur les premières générations de VLH ainsi qu'aux tests de l'Université de Munich. Après discussion avec le principal développeur des VLH, Marc Leclerc, il apparaît que les progrès importants des VLH n'ont pas été pris en compte et que le protocole suivi par l'étude allemande n'était pas optimal, induisant des incertitudes sur les causes réelles des blessures et mortalités piscicoles constatées. On peut donc regretter que les tests effectués dans les pays francophones n'aient pas été pris en compte de manière plus approfondie.

Ce cas des tests menés sur la VLH permet d'en apprendre un peu plus sur la complexité de valider une technique liée à la migration des poissons. En effet, introduire des poissons dans des turbines est une démarche qui entre dans le champ d'application légal de l'expérimentation animale. Ainsi, de lourdes et longues démarches administratives sont nécessaires pour avoir l'autorisation de réaliser le test avec des poissons vivants. De plus, il ne peut s'agir de poissons quelconques. Il ne suffit pas que les poissons aient la même taille et des capacités natatoires similaires. Le test sur une espèce ne peut pas forcément être transposé à une autre espèce, comme l'explique le spécialiste Jérôme Plomb du bureau Aquarius, bureau qui a réalisé les études sur l'assainissement de la force hydraulique pour les cantons de Vaud, de Neuchâtel et du Jura, notamment. En effet chaque espèce a son propre comportement et ses particularités physiologiques. Les différentes études réalisées en France ont notamment démontré l'importance capitale de définir un protocole de tests fiable, précis et robuste. Premièrement, il s'agit de bien définir les limites du test. Il ne s'agit pas de tester l'aménagement dans son ensemble, mais la turbine, et encore moins de tester le test. Par exemple, le point d'introduction des poissons est capital : il n'est pas forcément pertinent d'injecter les poissons bien en amont de la turbine et d'attendre qu'ils pénètrent dans la turbine (risque de fuite des poissons introduits, mélange avec les poissons autochtones non testés). La question de la récupération des poissons après le passage dans la turbine est également centrale (fréquence de contrôle, type de filet utilisé, etc.) Car il ne faut pas fatiguer, ni blesser les poissons à l'introduction. Ainsi, la goulotte utilisée pour les injecter devra-t-elle avoir une surface mouillée particulièrement lisse. De même à la sortie, les poissons devront être récupérés au fur-et-àmesure dans un filet sans nœuds. Et à cette complexité technique s'ajoute évidemment le poids financier.

Tests effectués en France sur la VLF en mai et juin 2013 avec des salmonidés et cyprinidés. MJ2 technologies, www.vlh-turbine.com

Exemple d'une VLH sur site, en position levée. MJ2 Technologie

ENJEUX DE LA DEVALAISON

La VLH a donc encore un certain nombre d'étapes à passer avant de pouvoir être reconnue en Suisse comme technologie pour la dévalaison des poissons. En parallèle, d'autres développements sont en cours pour les technologies de « transfert », basés sur le guidage des poissons dans la turbine grâce à des flux électriques, loin des pales, voire en les anesthésiant (technique IDA).

Face à la recherche d'électricité hivernale, sans pour autant diminuer les débits résiduels, il est capital que les sites de petite hydraulique qui doivent être actuellement assainis, ne souffrent pas de cette obligation d'assurer la dévalaison des poissons. A ce stade, le choix d'installer des grilles horizontales fines et un by-pass s'avère être le meilleur système. Encore faut-il que le site et le cours d'eau se prêtent à ce type de dispositifs. Ce n'est donc pas un seul mais plusieurs niveaux d'expertise qui entrent en jeu, tout en cherchant le compromis le plus pertinent, et en restant dans les coûts imputables permettant l'indemnisation totale, par Swissgrid, de toutes les études et mesures liées au programme d'assainissement de la force hydraulique.

Aline Choulot, avec la collaboration de Jérôme Plomb du bureau Aquarius et Marc Leclerc de MJ2 Technologies, Octobre 2022

Pour en savoir plus :

- Assainissement écologique de la force hydraulique : - Article du n°104 de Petite Hydro

https://tinyurl.com/2p87yzk8

- Financer l'assainissement de la force hydraulique

https://tinyurl.com/4chbk9zy

- « Guide OFEV » : Rétablissement de la migration du poisson, Bonnes pratiques pour les centrales hydroélectriques en Suisse, OFEV, mai 2022

https://tinyurl.com/36ejmxs7

- Synthèse des tests d'évaluation des dommages subis par les espèces piscicoles en dévalaison lors de leur transit à travers le groupe turbogénérateur VLH, mission d'expertise, M. LARINIER, Expert écohydraulique (†) & T. LAGARRIGUE, Ecogea, 2018

https://tinyurl.com/4j87fepr

- Système de dérivation à barreaux horizontaux pour la migration des poissons, programme de recherche de l'ETH-Z : - Meister, J., Selz, O.M., Beck, C., Peter, A., Albayrak, I., Boes, R.M. (2022). Protection and guidance of downstream moving fish with horizontal bar rack bypass systems. Ecological Engineering 178, 106584

https://tinyurl.com/rfuhjptx

- Journée technique SSH 2019

https://tinyurl.com/ydcmrwwj

- Webinaire sur la dévalaison par la turbine avec la technique IDA (en allemand), septembre 2022

https://tinyurl.com/23nfyh2h

- Exemples de sites : - Moulin Grillon (JU) – Petite Hydro n°97

https://tinyurl.com/46zx325m

- La petite centrale d'Obermatt (BL), équipée d'une grille horizontale et d'un by-pass pour la dévalaison, visitée lors de la journée technique de SSH le 13 mai 2022 et ayant fait l'objet d'un article dans le n°104 de Petite Hydro

- https://tinyurl.com/mv5j8scx - https://tinyurl.com/3xz9j9sf