Impacts morphologiques des aménagements hydroélectriques à l'échelle du bassin versant

Morphological impacts of hydropower and hydraulic structures in river

• Auteur / Autrice : Hernan Alcayaga
• Direction : Philippe Belleudy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'univers
• Date : Soutenance le 26/09/2013
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire d'étude des Transferts en Hydrologie et Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'étude des transferts en hydrologie et environnement
• Jury : Président / Présidente : Anne-Catherine Favre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoît Camenen, Jean-Rene Malavoi, Stéphane Rodrigues
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Schmitt, Jean-Luc Peiry

Mots clés

Mots clés libres

Morphologie fluviale

Aménagement Hydro-éléctrique

Systeme d'Information Geographique

Contrôles des formes des cours d'eau

Hydrologie

Dynamique sédimentaire

Fluvial Morphology

Hydropower structures

Geographic Information System

Controls of channels forms

Hydrology

Sediment-transport

Résumé

Ce travail s'intéresse aux altérations des systèmes fluviaux et à leur modélisation à une échelle de temps intermédiaire, de l'ordre de quelques décennies, et à l'échelle spatiale de bassins versants étendus et complexes. Une revue de la littérature montre que cette question reste principale chez les géomorphologues. Elle permet de dégager les constantes des différents modèles conceptuels qui ont été développés et en particulier i) la dépendance aux conditions hydrologiques et aux conditions d'alimentation solide, ii) la réaction du système pour s'adapter en cas d'altération de ces conditions, et iii) la propagation de ces perturbations avec une atténuation progressive vers l'aval du bassin versant. Nous avons choisi d'étudier plus particulièrement les perturbations introduites par les aménagements hydroélectriques à l'échelle du bassin versant en développant un modèle conceptuel, basée sur une description volontairement limitée des altérations hydrologiques et d'alimentation solide, et sur la connaissance experte pour la prédiction de l'évolution de la morphologie des rivières alluviales. L'objectif est la détermination des trajectoires d'évolution de variables représentatives de la morphologie de la rivière qui les font évoluer d'un état d'équilibre dynamique à un autre. Nous avons testé ce modèle sur une représentation du bassin versant de l'Isère à l'amont de Grenoble (5818 km2) en intégrant une description du schéma complexe d'aménagements hydroélectriques construits dans la deuxième moitié du XXème siècle. La modélisation donne des résultats cohérents avec les observations du système mais qui sont limitées par les hypothèses fortes d'un équilibre initial du système fluvial et de l'unicité de l'origine des perturbations. En dernière partie, nous ébauché le développement d'un modèle numérique simplifié destiné à prendre en compte la période de transition entre les états d'équilibre dynamique. Ce modèle permet d'évaluer la durée de la période transitoire d'un tronçon de rivière et de valider l'utilisation du concept de débit morphogène qui est fait dans le modèle conceptuel des équilibres dynamiques. Ce modèle permet de simuler la superposition d'altérations mais, dans l'état actuel, il ne permet pas de modéliser la cinétique de la propagation des altérations amont vers l'aval du bassin versant. Mots-clés : morphologie fluviale, bassin versant, régime hydrologique, apports sédimentaires, aménagements hydroélectriques, trajectoires de ajustements, cinétique de évolution du lit.

Abstract This work focuses on the geomorphological dynamics of a river system and the modelling of these changes over a medium time scale (the order of a few decades) and a large watersheds spatial scale (the order of 5000 km2). A literature review shows that this subject is one of the main issues in fluvial geomorphology today. It reveals the constants of different conceptual models that have been developed and in particular i) the dependence of geomorphological dynamics on hydrological flow regime and sediment supply conditions, ii) the ability of the system to adapt, in case of alteration in hydrological flow regime and sediment supply, and iii) the spread of these disturbances with the gradual attenuation of the effect of alteration downstream. In particular, we chose to study the effect of disturbances introduced by hydroelectric structures on the river morphology at the watershed scale by developing a conceptual river morphology model. The model outline was based on a, deliberately limited, description of hydrological regime and -sediment supply alterations, and on expert knowledge to predict the morphological evolution in alluvial rivers. The objective of this work was to determine the direction of evolution trajectories of the river morphology, trough representative variables that evolve from one dynamic equilibrium state to another. We tested the model on a representation of the Isère watershed, upstream of Grenoble, France (5818 km2), incorporating a description of the complex pattern of hydropower structures, built during the second half of the XXth century. The modelled changes in river morphology give results that are consistent with the observations. However, the model is limited by two strong assumptions: i) the initial equilibrium of the system and ii) the synchronisation of the disturbances. In the final section, we described the development of a simplified numerical model which aims to take into account the transient period between the dynamic equilibrium states. This model is used to evaluate the duration of the relaxation period for a river reach and validate the use of the channel-forming discharge concept that was used in the conceptual model. The model simulates the overlay of the disturbances, but in the current state it is not capable of modelling the kinetic propagation of the disturbances downstream into the watershed. fluvial morphology, watershed, hydrological flow regime, sediment supply, hydropower structures