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Barrages, retenues : connaître les risques, les usages et les impacts

Barrage Puylaurent © Irstea

Quelque 300 grands barrages, des dizaines de milliers de moyens et petits barrages et plus de 125 000 retenues… les chiffres du parc français révèlent l’importance des enjeux liés à ces ouvrages : maîtrise de leur sécurité, prise en compte de leur rôle dans le développement économique, mais aussi, à l’heure du changement climatique, gestion et partage de l’eau, impacts à l’échelle des territoires… Autant de problématiques auxquelles les scientifiques d’Irstea apportent une précieuse contribution.

Infographie

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Bon à savoir

Barrage : ouvrage implanté perpendiculairement à un cours d’eau ou à une vallée dans le but de stocker de l’eau, avec un volume défini en fonction du ou des usages. Il existe des barrages en maçonnerie, en béton et en remblai (terre ou enrochement).

Caractéristiques :

  • hauteur (de 5 à plus de 200 m) ;
  • volume d’eau stockée (dizaines de milliers à plusieurs centaines de millions de m3), sur une durée plus ou moins longue ;
  • débit réservé : débit minimal que le barrage doit relâcher pour assurer le maintien de la vie aquatique en aval (obligation de la loi sur l’eau).

Dispositifs de sécurité d’un barrage :

  • déversoir ou évacuateur de crues, dispositif qui laisse passer l’eau des crues que le barrage ne peut stocker ;
  • vidange de fond, qui permet de gérer le niveau d’eau dans la retenue et de la vider si nécessaire (situation d’urgence par exemple) ;
  • dispositif d’auscultation, destiné à l’acquisition régulière de mesures pour suivre le comportement de l’ouvrage et de sa fondation.

Maîtriser les risques liés aux barrages

2 décembre 1959, à Fréjus, le barrage de 60 m de hauteur de Malpasset cède : plus de 400 victimes. Suite à cette catastrophe, le Comité technique permanent des barrages (CTPB) - comité consulté sur tous les projets de grands barrages - sera créé et le 1er texte encadrant la surveillance et le contrôle des barrages sera établi (circulaire de 1970). Depuis, la règlementation n’a cessé de se renforcer et de se structurer pour assurer la sécurité de ces ouvrages au potentiel de danger majeur pour les plus grands d’entre eux, au regard de leur hauteur et du volume d’eau qui peut s’abattre en aval en cas de rupture. En France, la stratégie est de tout faire pour maîtriser la sûreté des barrages, sans limiter les constructions ou les implantions en aval. L’enjeu est donc de réduire au maximum la probabilité de rupture de ces ouvrages.

Pour cela, la réglementation définit les responsabilités des propriétaires et concessionnaires de barrages et les actions qu’ils doivent obligatoirement mener pour en assurer la sécurité. Pour sa part, Irstea apporte depuis plus de 30 ans une précieuse contribution de par ses travaux de recherche et d’expertise sur l’évaluation de l’état et des performances des barrages, et en particulier sur :

  • les méthodes de surveillance et d’auscultation des ouvrages, 2 actions obligatoires pour les gestionnaires de barrages. Outre de nombreux guides techniques, Irstea a notamment développé un logiciel, aujourd’hui commercialisé, qui permet de réaliser une analyse statistique des données de l’ouvrage et d’identifier des anomalies (voir encadré "Des outils pour ausculter les barrages").
  • la connaissance des mécanismes de dégradation des barrages. Irstea a par exemple permis de mieux connaître les mécanismes d’érosion qui fragilisent les ouvrages et également les instabilités hydromécaniques des sols (effondrement par exemple) .
  • les méthodes d’analyse de risque. Irstea a entre autres développé des méthodes pour évaluer la sûreté des barrages (voir encadré "Des modèles innovants pour évaluer la sûreté des barrages") mais aussi les conséquences de leur rupture à l’aide de logiciels capables de simuler l’onde de submersion qu’elle crée à l’aval.

Au final : de nombreux outils permettant aux gestionnaires, et aux bureaux d’étude qui les assistent, de réaliser des actions de surveillance et de diagnostics optimisés de leurs ouvrages.

Les travaux d’Irstea contribuent ainsi à une meilleure connaissance du comportement et du vieillissement des barrages et permettent d’apporter un appui technique aux services publics (Directions régionales de l’environnement, de l’aménagement et du logement - DREAL) et aux gestionnaires pour le contrôle et le maintien des ouvrages dans des conditions optimales de sécurité. Au-delà, Irstea participe activement aux groupes de travail du Comité français des barrages et réservoirs (CFBR) et de la Commission internationale des grands barrages (CIGB) pour élaborer les documents techniques qui régissent les règles de l’art du confortement et de la conception des ouvrages.

Contacts : P. Meriaux (Aix-en-Provence), Daniel Poulain (Bordeaux)

En savoir plus : Expertise et appui scientifique et technique d’Irstea sur les barrages et les digues

 

Des outils pour ausculter les barrages

Pour les surveiller et garantir leur sûreté, les barrages sont équipés d’un dispositif d’auscultation basé sur un ensemble de capteurs placés en des points stratégiques de l’ouvrage. Ces capteurs permettent de collecter en permanence un très grand nombre de données qu’il faut ensuite analyser. Dans ce but, Irstea a développé dès les années 1980 des modèles mathématiques d’analyse statistique des données d’auscultation des barrages. Des modèles qui ont conduit à la mise au point d’un logiciel  - Survey - qui permet de suivre les variations du comportement des barrages dans le temps et de détecter l’apparition d’anomalies comme une fuite ou un déplacement de l’ouvrage.

Aujourd’hui commercialisé, l’outil accompagne les gestionnaires et les bureaux d’étude qui les conseillent, dans leur mission règlementaire de surveillance des ouvrages. Si d’autres logiciels existent sur le marché, celui développé par Irstea présente l’intérêt de prendre en compte l’effet de la pluie qui peut interférer sur les données. Autre avantage : le modèle permet d’intégrer les facteurs les plus influents dans l’analyse de données comme la hauteur du plan d’eau, ce qui permet d’affiner l’interprétation des résultats de manière spécifique à l’ouvrage.

Outre améliorer l’interface pour les utilisateurs, les scientifiques cherchent actuellement à perfectionner l’outil en intégrant notamment l’effet des températures extrêmes qui perturbent le modèle. Par ailleurs, en ce qui concerne les méthodes d’auscultation des barrages, les scientifiques d’Irstea explorent aussi de nouvelles pistes comme l’utilisation de la fibre optique pour développer des modèles capables de quantifier les débits de fuite au cours du temps.

Contacts : Huguette Felix, Stéphane Bonelli, Laurent Peyras, Aix-en-Provence

Des modèles innovants pour évaluer la sûreté des barrages

Savoir évaluer les risques liés à un barrage est primordial… et très complexe. Cela nécessite de prendre en compte l’ensemble des paramètres qui interviennent : les aléas extérieurs qui sollicitent l’ouvrage (crue, séisme, etc.), la sécurité intrinsèque de l’ouvrage, l’exploitation et la surveillance de l’ouvrage.

Depuis des années, les équipes d’Irstea contribuent à une meilleure connaissance de chacun de ces paramètres et notamment celle de la fiabilité des ouvrages. Les scientifiques ont en effet mis au point des modèles permettant de suivre précisément les facteurs, comme l’étanchéité, qui peuvent mener à la défaillance du barrage. Puis ils ont développé des méthodes – dites probabilistes – pour évaluer la probabilité d’occurrence de chacun de ces modes de défaillance. Résultat : une prise en compte de tous les facteurs possibles et de leur probabilité quelle que soit la nature du barrage (remblai, béton, maçonnerie ou fondation rocheuse) qui permet de définir, avec finesse, la probabilité de défaillance globale de l’ouvrage.

Des méthodes dont certaines sont d’ores et déjà déployées de façon opérationnelle dans les études de dangers des barrages imposées par la réglementation et qui impliquent une évaluation probabiliste des risques.

Contacts : Laurent Peyras, Claudio Carvajal, Aix-en-Provence

Gérer la ressource en eau et les usages

A Irstea, les scientifiques apportent leur expertise et développent des outils pour accompagner acteurs et décideurs dans la gestion et le partage de la ressource en eau disponible grâce aux barrages. L'enjeu : anticiper les besoins et pérenniser les usages en prenant en compte les perspectives climatiques et leurs impacts socio-économiques.

Prévoir les apports en eau aux barrages pour optimiser les usages

La mise en place d’un barrage a le plus souvent pour but de stocker un volume d'eau pour mieux contrôler les risques d’inondation ou d’étiages sévères, mais aussi rendre l’eau disponible et utilisable par un ou plusieurs usagers (agriculteurs, plaisanciers, services d’eau potable, etc.). Pour garantir ces usages, maîtriser les risques liés à l’ouvrage et les impacts environnementaux de façon pérenne, il est nécessaire de connaître les quantités d’eau qui entrent et sortent du barrage mais aussi de les prévoir. À Irstea, des hydrologues spécialistes des modèles de prévision des débits des cours d’eau cherchent à améliorer la prévision des apports en eau aux barrages-réservoirs afin d’aider les gestionnaires à prendre les décisions optimales pour gérer les niveaux d’eau.

Dans le cadre de sa thèse au centre Irstea d’Antony, Louise Crochemore a ainsi mis au point, en collaboration avec l’Institution d’aménagement de la Vilaine, gestionnaire du barrage d’Arzal en Bretagne, un outil associant un modèle de prévision hydrologique à long terme (quelques semaines à quelques mois) et un modèle de gestion de l’eau du barrage. L’outil transforme les scénarios météorologiques futurs en scénarios hydrologiques d’apports en eau au barrage, et il évalue aussi le risque de ne pas maintenir le réservoir au niveau envisagé pour la saison estivale. Réalisés dans le cadre du projet DROP[i], ces travaux ont contribué au développement d’un outil d’aide à la décision précieux pour la gouvernance de la ressource en eau du barrage et qui peut alimenter - chiffre à l’appui - les concertations entre ses différents usagers.

Retenue et barrage d'Arzal en Bretagne

Depuis octobre 2015, l’équipe d’hydrologues est aussi engagée dans le projet IMPREX[ii] (programme européen de recherche et innovation Horizon 2020) qui vise à améliorer la prévision des extrêmes hydrologiques et leur gestion dans divers secteurs d’activités dépendants de la ressource en eau. Dans ce cadre, l’équipe d’Irstea cherche à évaluer, en partenariat avec les prévisionnistes d’EDF de Grenoble, la valeur économique des prévisions et le bénéfice qu’elles peuvent apporter pour la production d’hydroélectricité des barrages-réservoirs.

[i] Projet Interreg IVB DROP (Benefit of governance in drought adaptation)

[ii] Projet IMPREX (Improving predictions and management of hydrological extremes)

Contact : Maria-Helena Ramos, centre Irstea d’Antony, unité Hydrosystèmes et bioprocédés, équipe Hydrologie des bassins versants


Durance-Verdon : un partage de l’eau à repenser

Le bassin de la Durance-Verdon est soumis à une forte pression liée aux activités humaines : agriculture irriguée, hydroélectricité, alimentation en eau potable, etc.

 

Changement climatique : quel impact sur le bassin de la Seine ?

Quelles stratégies d’adaptation et de gestion des réservoirs d’ici 2050 ?

Connaître les impacts des barrages et des retenues

Barrages et retenues sont construits pour garantir une ressource en eau aux nombreuses activités qui en dépendent (agriculture, production d'électricité, alimentation en eau potable, etc.). Mais ces ouvrages ne sont pas sans conséquence sur le milieu environnant. Les scientifiques d'Irstea cherchent à mieux connaître ces impacts, en particulier sur le milieu aquatique et sa biodiversité.

Retenues d'eau : quels impacts sur le milieu aquatique ?

Irstea a piloté en partenariat avec l’Inra et l’Onema une expertise scientifique collective sur l’impact cumulé des retenues d’eau sur le milieu aquatique. Objectif : recenser, et le cas échéant à élaborer, des éléments méthodologiques opérationnels permettant d’améliorer la qualité des procédures d’instruction.

 

Déstocker les sédiments des barrages en respectant la biodiversité à l’aval

Barrage de Verbois sur le Rhône en Suisse pendant l'opération de déstockage des sédiments de 2016

Evacuer les sédiments des barrages est indispensable pour en maintenir le bon fonctionnement et maîtriser les risques d’inondation mais ce relargage peut être nuisible, notamment pour la biodiversité à l'aval. Irstea participe au suivi de ces opérations délicates de destockage des sédiments et propose des solutions pour en optimiser les manœuvres.