La continuité écologique dans les hydrosystèmes fluviaux

Transcription

1 La continuité écologique dans les hydrosystèmes fluviaux Sylvain Richard ONEMA DIR8 Journée technique «continuité écologique» DREAL LR - 22 juin 2011

2 La continuité écologique dans les hydrosystèmes fluviaux 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

3 1. La continuité écologique : définitions et bases biologiques DCE LEMA 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 du CE) Décret nomenclature eau (rubrique ) OF6A : restaurer la continuité biologique et les flux sédimentaires SDAGE Trame bleue Ouvrages dits Grenelle Grenelle Pourquoi parler de continuité écologique dans un écosystème d eau courante? Pourquoi est-elle fondamentale pour le fonctionnement des cours d eau? 1. La continuité écologique : définitions et bases biologiques

4 Continuité hydrologique à l échelle d un bassin versant Cycle de l eau : précipitations - écoulements - évaporations Continuité hydrologique à l échelle d un bassin versant Régime hydrologique dans les cours d eau (=débits) 1. La continuité écologique : définitions et bases biologiques

5 Continuité physique à l échelle d un bassin versant Régime hydrologique Topographie - Relief Flux perpétuel de matériaux arrachés au bassin versant Cycles hydrologiques Transport solide Longitudinale Latérale Notion de dynamique fluviale Verticale D'après Amoros & Petts, 1993 Morphologie des cours d eau : hétérogénéité des structures physiques (lit, berge, fond, annexes ) 1. La continuité écologique : définitions et bases biologiques

6 Continuité physique à l échelle d un 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 : De l eau qui coule avec des variations Des matériaux à transporter (des bois morts jusqu aux galets/blocs) 1. La continuité écologique : définitions et bases biologiques

7 Continuité physique à l échelle d un bassin versant Organisation des structures physiques : pas de place au hasard Forte pente Granulométrie grossière Diversité des habitats par les affluents Pente moyenne Granulométrie médiane (galets) Diversité des habitats par les bras secondaires Logique morphologique et spatiale Organisation longitudinale et latérale Faible pente Granulométrie fine Diversité des habitats par les annexes D'après Amoros & Petts, 1993 Le transport solide est le garant de la présence d un continuum longitudinal et latéral d habitats aquatiques 1. La continuité écologique : définitions et bases biologiques

8 Continuité biologique à l échelle d un bassin versant Les organismes aquatiques dépendent de ce continuum d habitats Habitats d alimentation Déplacements/migrations notion de libre circulation Habitats de refuge CYCLES BIOLOGIQUES/ BESOINS VITAUX Habitats de repos Habitats de reproduction Migrations de montaison et de dévalaison Périodes variables des migrations 1. La continuité écologique : définitions et bases biologiques

9 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) 1. La continuité écologique : définitions et bases biologiques

10 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 2. Les altérations de la continuité écologique

11 Les ouvrages transversaux Sont concernés par cette catégorie : Barrage Seuils Radiers artificiels Passages busés Digues 2. Les altérations de la continuité écologique

12 Les ouvrages transversaux Photos S. Richard 2. Les altérations de la continuité écologique

13 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 habitats lotiques barrage plan d eau Fort impact qui ne peut être corrigé! 2. Les altérations de la continuité écologique

14 Impacts des ouvrages transversaux sur la continuité 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 ellesmêmes un obstacle! 2. Les altérations de la continuité écologique

15 Impacts des ouvrages transversaux sur la continuité Modification du transit sédimentaire Dépôts de sédiments dans la retenue ou le bief Érosion des berges Dépôts en aval proche de l obstacle (perte d énergie) Incision du lit (érosion progressive) 2. Les altérations de la continuité écologique

16 Impacts des ouvrages transversaux sur la continuité 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 2. Les altérations de la continuité écologique

17 Blocage de la migration : régression de la répartition des grands migrateurs Front de colonisation actuelle de l Alose (cartes PLAGEPOMI ) 2. Les altérations de la continuité écologique

18 Concentrations sur les zones de reproduction Données ONEMA DR9 2. Les altérations de la continuité écologique

19 Impacts des ouvrages transversaux sur la continuité 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 2. Les altérations de la continuité écologique

20 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 2. Les altérations de la continuité écologique

21 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 Photo D. Baril 2. Les altérations de la continuité écologique

22 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) 2. Les altérations de la continuité écologique

23 3. Stratégie de 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 3. La restauration de la continuité écologique

24 Le Référentiel des Obstacles à l Écoulement (ROE) Localisation, typologie et usage des ouvrages transversaux obstacles géoréférencés = 1 obstacle tous les 4 km de cours d eau Près de la moitié apparaissent sans usage avéré 3. La restauration de la continuité écologique

25 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 3. La restauration de la continuité écologique

26 Mortalités dépendent des caractéristiques des turbines et des individus : Sur les juvéniles de salmonidés 100% 50% 20% 10% 2-5 % 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 ) 3. La restauration de la continuité écologique

27 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) 3. La restauration de la continuité écologique

28 A l échelle d un axe de migration, tenir compte du cumul des mortalités à chaque usine Exemple : Stock de 1000 anguilles Avant toute action de restauration de la franchissabilité à la Passage de 10 usines avec un taux de mortalité de 10% montaison, s assurer préalablement que la franchissabilité => Seulement 350 anguilles arriveront à la mer (35% seulement du stock) à la dévalaison soit assurée! 3. La restauration de la continuité écologique

29 Caractériser la franchissabilité à la montaison d un obstacle OBSTACLES Géométrie de l obstacle Conditions hydrauliques ESPECES CIBLES Capacités de nage Capacités de saut Capacités de reptation COMPATIBILITE FRANCHISSEMENT 3. La restauration de la continuité écologique

30 La géométrie de l obstacle et hydraulique Forme de la chute Hauteur de chute Largeur, pente et rugosité des coursiers et radiers Fosse d appel 3. La restauration de la continuité écologique

31 3. La restauration de la continuité écologique

32 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 3. La restauration de la continuité écologique

33 La notion de performance de nage Caractérisée par la vitesse de déplacement et l endurance EFFORT ENDURANCE PHYSIOLOGIE Nage de croisière Plusieurs heures Sans modification Nage soutenue Plusieurs minutes Entraîne fatigue Nage de pointe Quelques secondes Épuisement (acide lactique) 3. La restauration de la continuité écologique

34 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) 3. La restauration de la continuité écologique

35 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! 3. La restauration de la continuité écologique

36 Les capacités de saut (Larinier 1992) 3. La restauration de la continuité écologique

37 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 3. La restauration de la continuité écologique

38 L Alose feinte du Rhône Capacités de nage Capacités de saut saut L alose ne saute pas Elle nage dans la veine d eau 3. La restauration de la continuité écologique

39 Les Lamproies Lamproie marine (Petromyzon marinus) Lamproie fluviatile (Lampreta fluviatilis) Lamproie de planer (Lampreta planeri) Capacités de nage Mauvais nageurs Étude récente : LPP = 0,8 m/s (Besson et al. 2008) Possibilité de se ventouser sur le substrat Capacités de saut saut Les lamproies ne sautent pas Elles nagent sur le fond 3. La restauration de la continuité écologique

40 L anguille Capacités de nage Civelles : 0,1 m/s Anguillettes (10-15 cm) : 0,6 0,7 m/s Anguillettes (20 cm) : 0,8 1 m/s Capacités de saut saut L anguille ne saute pas Elle nage à proximité du fond Capacité de reptation sur substrat humide Espèce au capacité de franchissement particulier Peut ramper sur les substrats humides 3. La restauration de la continuité écologique

41 Les autres espèces Capacités de nage Cyprinidés d eau vive : jusqu à 2 m/s (très variable d une espèce à l autre) Petites espèces benthiques : < 1,2 m/s Capacités de saut 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 3. La restauration de la continuité écologique

42 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 3. La restauration de la continuité écologique

43 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) 3. La restauration de la continuité écologique

44 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???? 3. La restauration de la continuité écologique

45 4. Dispositifs de restauration et de réduction des impacts 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) 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%) 4. Dispositifs de restauration et de réduction des impacts

46 Quelques exemples d effacements d ouvrages Effacement du barrage de Kernansquillec sur le Léguer (22) 1996 Association Association du du Léguer Léguer Construction : 1920 Hauteur : 15 m env. Usage : papeterie Association du Léguer 4. Dispositifs de restauration et de réduction des impacts

47 Quelques exemples d effacements d ouvrages Effacement du barrage de Saint Etienne du Vigan (48) 1998 Photos ERN SOS Loire vivante Photos ERN SOS Loire vivante Construction : Hauteur : 12 m env. Usage : hydroélectricité Photos ERN SOS Loire vivante 4. Dispositifs de restauration et de réduction des impacts

48 Quelques exemples d effacements d ouvrages Effacement du barrage de Maison-Rouge sur la Vienne N. Dieu Construction : 1922 Hauteur : 4 m env. Usage : papeterie - hydroélectricité G.Cochet 4. Dispositifs de restauration et de réduction des impacts

49 Quelques exemples d effacements d ouvrages Effacement du seuil du ruisseau de la Maria (58) PNR Morvan Durlet P Dispositifs de restauration et de réduction des impacts

50 La restauration de la continuité écologique Encadrer techniquement l effacement si celui-ci est possible : Érosion du lit Érosion des berges Déstabilisation et dépérissement des arbres de bordure Photo P. Baran Berge de la Meuse en amont du seuil de Mécrin Photo P. Baran Berge de la Moselle en amont de l ancien seuil de Vecoux 4. Dispositifs de restauration et de réduction des impacts

51 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 4. Dispositifs de restauration et de réduction des impacts

52 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 Photo M. Larinier 4. Dispositifs de restauration et de réduction des impacts

53 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 4. Dispositifs de restauration et de réduction des impacts

54 Les passes à bassins Jets plongeants (échancrures) : adaptées au passage du poisson par sauts (Salmonidés, grands Cyprinidés d eau vive) 4. Dispositifs de restauration et de réduction des impacts

55 Les passes à bassins 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) Photo M. Larinier 4. Dispositifs de restauration et de réduction des impacts

56 Les passes à bassins 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 M. Larinier 4. Dispositifs de restauration et de réduction des impacts

57 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 Dispositifs de restauration et de réduction des impacts

58 4. Dispositifs de restauration et de réduction des impacts

59 Les passes dites «rustiques» Les rivières de contournement Photo M. Larinier Photo D. Baril Photo M. Larinier 4. Dispositifs de restauration et de réduction des impacts

60 Les passes à anguilles Faible alimentation en eau Pente importante (15 à 40 ) Substrats de brosses ou de plots Photo M. Larinier 4. Dispositifs de restauration et de réduction des impacts

61 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 4. Dispositifs de restauration et de réduction des impacts

62 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 Larinier 1992 Implantation à proximité du débit concurrent Addition de débit d attrait possible Si plusieurs entrées, plusieurs passes! 4. Dispositifs de restauration et de réduction des impacts

63 Quelques grands principes de conception : le calage hydraulique Connaître et prendre en compte les variations de niveaux amont et aval Point fondamental pour le respect de l hydraulique dans la «boîte» 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 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) 4. Dispositifs de restauration et de réduction des impacts

64 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 4. Dispositifs de restauration et de réduction des impacts

65 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 4. Dispositifs de restauration et de réduction des impacts

66 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 M. Larinier Photo A. Richard Photo M. Larinier 4. Dispositifs de restauration et de réduction des impacts

67 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 4. Dispositifs de restauration et de réduction des impacts

68 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 4. Dispositifs de restauration et de réduction des impacts

69 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! 4. Dispositifs de restauration et de réduction des impacts

70 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 4. Dispositifs de restauration et de réduction des impacts

71 La continuité écologique dans les hydrosystèmes fluviaux Merci de votre attention! Contributions : Dominique Baril, Philippe Baran, Hervé Demange