Dynamique des flux sĂ©dimentaires et des Ă©lĂ©ments mĂ©talliques en lien avec l’exploitation courante et exceptionnelle d’un barrage hydroĂ©lectrique

par Franck Frémion

ThĂšse de doctorat en Sciences pour l'environnement

Sous la direction de Alexandra Courtin-Nomade et de François Bordas.

Le président du jury était Michel Baudu.

Le jury était composé de Michel Baudu, Brice Mourier, Valerie Cappuyns.

Les rapporteurs étaient Jörg SchÀfer, Jean-Marie Mouchel.


  • RĂ©sumĂ©

    Les retenues de barrage sont l’objet d’enjeux sociĂ©taux, Ă©conomiques et environnementaux. Leur prĂ©sence affecte le transit naturel de l’eau et de la charge sĂ©dimentaire associĂ©e. Selon les cycles hydrologiques et leur exploitation, la remobilisation des sĂ©diments accumulĂ©s et des contaminants associĂ©s est plus ou moins marquĂ©e. Dans ce contexte, cette Ă©tude a pour principal objectif de dĂ©terminer l’évolution des teneurs, flux et spĂ©ciation des Ă©lĂ©ments mĂ©talliques au cours des phases d’accumulation et de remobilisation sĂ©dimentaire naturelles et influencĂ©es. Pour ce faire, une Ă©tude de terrain de 19 mois Ă  l’amont et Ă  l’aval de l’ouvrage a Ă©tĂ© effectuĂ©e en conditions courantes et Ă©vĂ©nementielles d’exploitation. Le suivi de deux opĂ©rations de chasses d’hydrocurage, destinĂ©es Ă  l’évacuation des sĂ©diments de la retenue par ouverture des vannes de fond du barrage en pĂ©riode de hautes eaux, a notamment Ă©tĂ© rĂ©alisĂ©. L’impact des diffĂ©rents paramĂštres physicochimiques (ratio solide/liquide, pH, potentiel redox, sĂ©chage) sur le devenir et la spĂ©ciation des Ă©lĂ©ments mĂ©talliques ainsi que les diffĂ©rents mĂ©canismes associĂ©s ont quant Ă  eux Ă©tĂ© Ă©valuĂ©s Ă  l’aide d’expĂ©riences de laboratoire, d’études statistiques et de modĂ©lisation. Les rĂ©sultats ont montrĂ© qu’en pĂ©riode d’exploitation courante, la prĂ©sence de l’ouvrage induit une discontinuitĂ© amont/aval des teneurs, flux et partition des Ă©lĂ©ments mĂ©talliques, amplifiant notamment l’influence du pH sur leur spĂ©ciation et mobilitĂ© du fait de l’artificialisation des conditions d’écoulement. Lors des opĂ©rations d’exploitation Ă©vĂ©nementielle par chasse d’hydrocurage, la modification des conditions de pH, d’oxydorĂ©duction et de ratio S/L au sein du cours d’eau aval lors du passage de la charge sĂ©dimentaire augmente les teneurs en As, Fe et Mn solubilisĂ©s via des phĂ©nomĂšnes de dĂ©sorption et de dissolution des oxydes mĂ©talliques. NĂ©anmoins, Ă©tant donnĂ© la faible mobilitĂ© des Ă©lĂ©ments mĂ©talliques et la stabilitĂ© des phases porteuses, les flux dissous restent minoritaires par rapport aux flux particulaires. La rĂ©alisation frĂ©quente des opĂ©rations de chasse permet de minimiser les flux sĂ©dimentaire et mĂ©tallique mis en jeu au cours du temps, limitant par consĂ©quent son impact sur le cours d’eau aval.

  • Titre traduit

    Influence of routine and exceptional exploitation of a hydroelectric dam on sediments and metallic elements dynamics


  • RĂ©sumĂ©

    Dam reservoir contexts concentrate social, economic and environmental issues. Their presence modifies both natural water and sediments continuity. Water level can be stable or fluctuate according to hydrological cycles and exploitation, leading to more or less pronounced sediments and associated contaminants remobilization. In such context, this work aims at studying spatio-temporal changes in concentrations, fluxes as well as speciation of metallic elements during natural and anthropologically-driven sediments accumulation and resuspension phases. For this purpose, a 19 months field survey was performed upstream and downstream from the dam during both routine and exceptional exploitation. The water and sediments quality during two sluicing events, performed in order to re-erode deposited reservoir sediments and flush them downstream through the bottom valves of the dam during high flows, were notably monitored. As for the influence of the main physicochemical parameters (i.e., solid/liquid ratio, pH, redox potential, drying) on metallic elements fate and speciation as well as the different processes involved, they were studied through laboratory experiments, statistical analyses and modeling. Results highlighted that during routine exploitation, dam presence leads to a significant discontinuity in metallic element dissolved concentrations, fluxes and speciation, mainly through pH changes magnified by water flow artificial lowering. During sluicing management, the high local pH, redox and S/L changes of the downstream water, mainly following maximum sediments release, enhance As, Fe and Mn solubilization through desorption or metallic oxydes dissolution. Nevertheless, given the overall low mobility of the metallic elements and bearing phases stability, dissolved fluxes remain far lower than particular ones. Recurrent sluicing management permits to minimize sediments and metallic fluxes, limiting toxicity towards aquatic biota.


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