Soutenance mémoire
Présentation du canal de l’Union
Contexte historique
Le canal s’est constitué au travers de l’élargissement progressif du canal de Cabedan-neuf dont la construction a été entreprise en 1767. Le tracé de ce canal sera réutilisé en 1849 par le canal de l’Isle puis en 1853, par le canal de Carpentras. En 1859, le syndicat Mixte des canaux de Cabedan-neuf, l’Isle et Carpentras est chargé de la gestion du tronçon de canal commun à ces associations communément appelé « Canal Mixte ».
En 1959, dans le cadre de l’aménagement hydroélectrique de la Durance par EDF, la prise historique du canal Mixte s’est vue regroupée avec celle du canal Saint Julien. Conventionnellement avec EDF, les droits d’eau en Durance pour les canaux membres de l’ Union ont été saisonnalisés. En parallèle, le canal a été recalibré et bétonné par EDF depuis sa prise à Mérindol jusqu’à la prise dite de Bel Hoste. L’Union s’est alors engagée à transporter à titre gratuit la dotation pleine et entière du canal Saint Julien sur ce tronçon. Le 17 décembre 2013, le Syndicat Mixte des canaux de Cabedan-Neuf, de l’Isle et de Carpentras met en conformité ses statuts avec l’ordonnance du 1er juillet 2004, pour devenir l’Union du canal Luberon Sorgue Ventoux, dont l’ouvrage de transport des eaux est dénommé dans la suite de ce rapport canal de l’Union.
Limites géographiques
Le canal de l’Union se développe sur les communes de Mérindol, Cheval Blanc, Cavaillon, les Taillades et Robion, jusqu’à la Tour de Sabran sur Lagnes, sur une longueur totale de 24km. Accroché aux pentes du Luberon puis du Plateau de Vaucluse, le canal est creusé en remblai déblai avec utilisation des matériaux naturels sur la plus grande partie de son linéaire. L’exception étant la traversée de la vallée du Coulon, où l’ouvrage est construit en remblais. La prise du canal en Durance, appelée indifféremment prise de Mérindol ou prise de Mallemort se trouve au niveau du barrage dit de Mallemort. Le canal y est alimenté en rive droite de la Durance via une conduite sous un écoulement fluvial, passant en siphon sous la Durance, depuis le canal EDF. La Figure 1-2 ci-après présente le synoptique du canal de l’Union avec les principaux ouvrages. L’Annexe 1 présente la carte de localisation du canal de l’Union sous la totalité de son linéaire.
Canaux membres et superficies desservies
Le canal de l’Union dessert le long de ses 24 km de nombreux usagers regroupés pour la plupart en associations de propriétaires. Le Tableau 1-1 présente ces différentes associations de propriétaires ainsi que les superficies desservies par chaque structure. Ces structures sont les principaux bénéficiaires de cette étude.
ETAT DE L’ART
Enjeux de la modernisation des canaux d’irrigation
Parmi les prélèvements d’eau en France, l’eau prélevée pour l’irrigation représente entre 10 et 15 % selon les années, mais à la différence d’autres secteurs, elle est faiblement restituée et représente près de 70 % des prélèvements nets (Loubier & Gleyses, 2011).
Face à l’augmentation de la demande en eau pour l’irrigation, à la compétition entre les différents secteurs d’activité pour l’usage de l’eau et aux problèmes causés par le changement climatique, la question de l’économie d’eau devient de plus en plus cruciale.
L’économie d’eau peut se faire dans la méthode d’utilisation de cette eau en visant la réduction de la quantité d’eau consommée, ou dans la distribution qui vise à réduire les pertes d’eau dans le réseau (Hong, 2014).
Dans le premier cas de figure, il s’agit de l’amélioration des pratiques agricoles notamment la sélection des variétés économes en eau ou tolérantes à la sécheresse, la conduite des cultures permettant de réduire substantiellement le besoin en eau d’irrigation des cultures, la maximisation des efficiences d’application.
Le second cas de figure, qui porte sur la gestion des systèmes hydrauliques (canaux d’irrigation), concerne généralement la modernisation des réseaux, le type de gestion à savoir la gestion tactique (programmation des allocations d’eau en fonction des ressources disponibles) et la gestion opérationnelle (régulation du canal et les ouvrages pour satisfaire les objectifs de la distribution) (techniques d’irrigation).
Selon (Pochet & Chauvet, 1974), la modernisation des réseaux d’irrigation vise généralement deux objectifs:
Faciliter l’exploitation des ouvrages pour alléger les frais de gestion ;
Reconvertir le canal pour l’adapter à de nouvelles conditions de distribution et pour réduire, en particulier, le gaspillage d’eau.
La présente étude, traite dans sa globalité, de la modernisation d’un canal pour améliorer les conditions d’exploitation et valoriser les économies d’eau potentielles réalisables. Pour un réseau existant, elle vise en autre :
la motorisation des vannes de régulation de niveau d’eau ou de débit ;
la réalisation de travaux de cuvelage ;
le remplacement ou la réhabilitation d’ouvrages de régulation existants, et ;
l’installation de nouvelles prises, de nouveaux ouvrages de régulation, d’un système de télégestion et de nouveaux dispositifs de contrôle et de mesure de débit.
Mode de distribution de l’eau d’irrigation
L’organisation du mode de distribution de l’eau reflète la manière dont les usagers ont accès à l’eau et dont ils échangent avec l’exploitant du réseau. Ainsi, la distribution de l’eau peut être organisée de différentes manières. Nous décrivons ci-dessous trois modes de distribution qui sont : le tour d’eau, la distribution à la demande et la distribution arrangée.
Tour d’eau ou rotation
C’est un mode de distribution dans lequel l’eau est fournie aux usagers de manière intermittente. La distribution repose sur trois paramètres : le débit, la durée qui dépend de la surface irriguée et la fréquence. Les différents paramètres peuvent être fixes ou variables, déterminés par le gestionnaire en fonction des besoins en eau estimés ou des demandes formulées par les usagers. Ce mode de distribution permet le dimensionnement des canaux avec de faibles capacités.
Distribution à la demande
Dans ce mode de distribution, les usagers sont un libre accès à l’eau. Ces systèmes sont généralement couteux car :
la dimension des canaux est plus importante que dans une distribution au tour d’eau, afin de faire face une demande de pointe ;
elle doit être commandée par l’aval pour permettre au système de réagir instantanément à la variation de la demande.
Dans la pratique, ce mode de distribution est quasi inexistant dans les réseaux de canaux. Il existe cependant un cas particulier important qui est celui du transport par canaux avec distribution par canalisations sous-pression (Pierre & Jean-Pierre, 1993). On peut citer par exemple : le Canal de Provence, le canal du Bas Rhône-Languedoc.
Distribution arrangée
Le mode de distribution arrangé a été développé aux États-Unis (Renault et al., 2007). C’est un bon compromis entre le tour d’eau et la distribution à la demande. Les usagers expriment leur demande au gestionnaire par divers moyens (téléphone, internet…) en indiquant à l’avance le débit demandé (Q) et le moment où ils souhaitent avoir de l’eau (début et durée). Le gestionnaire traite ensuite toutes les demandes et conçoit une solution adaptée pour fournir les débits demandés. Certaines demandes peuvent être satisfaites sans changement ; d’autres peuvent être retardées, d’un ou deux jours.
Les différents modes de distribution rencontrés sur le canal de l’Union sont généralement la distribution à la demande (cas des stations de pompage qui démarrent et s’arrêtent automatiquement et des filioles privées) et la distribution arrangée via des demandes formelles (par courrier) et non formelles (échange au téléphone).
Régulation des canaux d’irrigation
L’objectif de la régulation d’un canal est d’optimiser le réglage des ouvrages en vue de satisfaire la demande en eau tout en limitant les pertes d’eau dans le réseau.
Les variables contrôlées dans l’exploitation des systèmes d’irrigation sont : le débit, les volumes ou une combinaison de débit et de volume. Le contrôle des débits est la procédure de contrôle la plus courante.
Le contrôle des débits peut être direct ou, plus communément, indirect par le contrôle de la profondeur d’eau dans le canal. D’autres systèmes sont conçus et exploités pour contrôler le volume dans les tronçons de canal. Cette dernière technique nécessite une capacité de stockage : soit un stockage en ligne dans le canal lui-même, soit dans des réservoirs intermédiaires.
La description des modes de régulation des canaux présentés ci-dessous se limite à leur principe sans détailler les différents ouvrages mis en œuvre.
Commande par l’amont
La plupart des systèmes d’irrigation gravitaire sont commandés par l’amont (Renault et al., 2007). Avec cette technique, les régulateurs sont réglés en fonction du débit imposé par la prise d’eau principale.
L’objectif est de maintenir un niveau d’eau constant (ou quasi constant) en amont de chaque régulateur.
Lors d’une variation du débit en tête, la ligne d’eau pivote autour d’un axe situé en aval des différents biefs. Elle est comprise entre la ligne d’eau à débit maximum (parallèle au radier) et la ligne d’eau à débit nul (horizontale).
Les changements de régime, s’effectuent bief par bief d’amont vers l’aval. Chaque bief introduit un temps de retard (appelé retard hydraulique ou temps de transfert) puisqu’une augmentation de débit s’accompagne d’une augmentation de volume du bief (Pierre & Jean-Pierre, 1993). Ce mode de régulation est donc anticipatif.
Commande par l’aval
La régulation par l’aval, a attiré l’attention des ingénieurs et des responsables de l’irrigation en raison de ses avantages potentiels. Le contrôle par l’aval répond automatiquement aux fluctuations de la demande des usagers en aval et peut minimiser les pertes d’eau. La ligne d’eau est comprise entre une ligne d’eau horizontale à débit nul et une ligne d’eau parallèle au radier au débit maximal. Cette technique nécessite donc des berges de canal horizontales et des régulateurs automatiques.
Les régulateurs sont asservis au niveau aval qu’ils maintiennent constant (ou quasi constant). Lors d’une variation du débit en tête, la ligne d’eau pivote autour d’un axe situé en amont des différents biefs (Pierre & Jean-Pierre, 1993). La Figure 2-2 illustre le principe de la régulation à niveau aval constant.
Modélisation des canaux d’irrigation
La modélisation des canaux d’irrigation permet de représenter leurs fonctionnements en différentes situations à partir d’outils numériques. Dans le cas des canaux d’irrigation, elle permet de simuler différentes situations de fonctionnement et analyser les conséquences sur le réseau dans le cadre d’un diagnostic ou de la création d’un nouveau réseau.
Aujourd’hui, avec les avancées technologiques, il existe une grande variété de modèles utilisés pour la modélisation des canaux d’irrigation. Les principales différences entre ces modèles se trouvent au niveau de la taille du réseau à modéliser et les régimes d’écoulements pouvant être simulés.
Certains modèles sont capables de simuler uniquement des écoulements en régime permanent tandis que d’autres sont capables de simuler des écoulements en régime permanent et transitoire. Ils sont généralement utilisés pour l’analyse de la performance du canal sous différents modes de régulations, de gestion de la distribution et de planification de l’irrigation (Javaid & Latif, 2010). Le Tableau 2-1 présente une liste de modèles utilisés pour la modélisation des canaux d’irrigation capables de simuler des conditions d’écoulement en régime permanent et transitoire.
MODALITES DE GESTION DES OUVRAGES LE LONG DU CANAL
Prise en tête
La prise en tête est utilisée quotidiennement et réglée en fonction des besoins en eau des canaux membres. Le Tableau 4-1 décrit la manière dont la prise est gérée pour ajuster les débits en condition d’exploitation normale comme exceptionnelle (en cas d’orage). La consigne de réglage est une consigne de débit. Le débit en tête est déterminé à partir des demandes de chaque structure : demande formelle (canal Saint Julien) et non formelle (autres structures). Pour le canal Saint Julien, la navette (prévision des débits à prélever) est adressée au canal de l’Union dans un délai de 48h. Quant aux autres membres, la demande est faite par téléphone au conducteur du canal.
Ouvrages en ligne
Les ouvrages de régulation servent principalement à régler les niveaux d’eau dans le canal pour assurer l’alimentation des prises (martelières, stations de pompage du canal Cabedan Neuf et SCP).
Les niveaux maintenus peuvent être très proches du niveau des berges avec une revanche de 20 cm, ce qui complexifie l’exploitation. En effet, lors d’une modification de prélèvement dans le canal, le niveau d’eau en amont des batardeaux peut varier rapidement.
Le conducteur du canal de l’Union contrôle ainsi souvent les niveaux d’eau le long du canal. En fonction de l’évolution des demandes, le conducteur du canal estime par expérience s’il faut régler uniquement ces ouvrages de régulation en ligne, ou s’il faut régler le débit à la décharge de Robion, voire le débit en tête.
La contrainte de maintien de niveaux d’eau élevés (faible revanche) conduit à des risques accrus de débordement lors des orages.
La description des modalités d’exploitation suivies par les gardes canaux pour la gestion des ouvrages est présentée dans le Tableau 4-3.
Justification du choix du modèle utilisé
Il existe un grand nombre de logiciels permettant de modéliser les écoulements dans les canaux d’irrigation (c.f section 2.4). Le logiciel retenu dans le cadre de cette étude est SIC. Le choix de ce logiciel s’appuie sur les arguments suivants :
BRLi possède une grande expérience dans la modélisation sous SIC, et en particulier sur des canaux de transport d’eau pour l’irrigation ;
Il est très performant dans la modélisation des ouvrages de régulation et des prises, et permet en particulier de simuler de manière efficace des variations de débits et les tours d’eau sur ces prises (BRLi & SCP, 2019) ;
Le modèle, une fois établi, est facilement modifiable.
Présentation du logiciel SIC
Le logiciel SIC (Simulation Intégrée des Canaux et de leur Contrôle) est un logiciel de simulation hydraulique adapté au calcul des écoulements unidimensionnels dans les canaux d’irrigation, les rivières, les fleuves et les réseaux d’assainissement.
Développé par IRSTEA avec la participation de BRL, ce logiciel permet de modéliser les écoulements en régime permanent et en régime transitoire à l’aide des équations de Saint-Venant, en prenant en
compte l’effet des ouvrages hydrauliques tels que les prises, les vannes, les siphons, et les seuils. Le logiciel permet également de mettre au point et de tester très facilement des algorithmes de contrôle automatique des ouvrages de régulation présents sur le réseau (vannes, seuils mobiles,etc.).
Les pertes de charges singulières des ouvrages peuvent être modélisées à l’aide d’un coefficient d’ouvrage. La perte de charge linéaire est quant à elle modélisée avec le coefficient de Strickler, dont la valeur est définie en fonction de l’état des berges du canal, et calée avec des mesures sur le terrain.
Le logiciel est construit autour de trois programmes principaux (Pierre & Jean-Pierre, 1993) :
TALWEG : Permet de reconstituer la géométrie du canal à partir des données topographiques (profil en long, profils en travers, semis de points) . Le canal est décrit par une succession de profil en travers perpendiculaires au sens de l’écoulement et par des biefs qui sont délimités par un nœud amont et un nœud aval. La structure du canal sous SIC est composée:
des sections dites normales ;
des sections singulières au niveau desquelles sont créés les ouvrages de régulation en ligne (vannes, batardeaux, seuils, déversoir en ligne) avec leurs caractéristiques;
des nœuds au niveau desquels sont créés les ouvrages latéraux comme les prises, les décharges latérales et sont définis les conditions aux limites.
FLUVIA : Permet de calculer la ligne d’eau dans le canal en régime permanent. Avec la simulation en régime permanent, il est possible de calculer les ouvertures des prises et des vannes de sorte à respecter les consignes en débit des prises et le niveau d’eau objectif en amont des ouvrages de régulation en ligne (Pierre & Jean-Pierre, 1993).
MODELISATION HYDRAULIQUE
SIRENE: Permet de simuler le comportement hydraulique d’un canal soumis à des perturbations (ouverture ou fermeture des prises) et des manœuvres d’ouvrage de régulation en ligne en régime transitoire. Le calcul de la ligne d’eau est basé sur la résolution des équations différentielles partielles unidimensionnelle de Barré de Saint Venant.
Données de base pour la modélisation
Données topographiques
Les données topographiques utilisées dans l’étude ont été réalisés le long du canal pendant la période de chômage du canal. Les précisions sur les données topographiques sont les suivantes :
écart moyen de positionnement inférieur à 3 cm en planimétrie ;
écart moyen de positionnement inférieur à 2 cm en altimétrie.
Ils ont permis :
d’établir le profil en long et les profils en travers des sections du canal ;
de relever les prises le long du canal ;
de relever les ouvrages le long du canal (batardeaux, ouvrages vannés, seuils, vanne AMIL, décharges).
L’Annexe 6 présente le profil en long du canal ainsi que la position des ouvrages le long du canal. Tous les ouvrages ne figurent pas sur le profil en long . Les ouvrages manquants sont essentiellement des prises privées pour lesquelles la côte radier n’étaient pas connues par manque de données. Toutefois, les principaux ouvrages indispensables à l’étude y figurent.
Données des campagnes des jaugeages
La campagne de jaugeages a consisté en la mesure de débit et hauteur en 10 points le long du canal avec un ADCP (profileurs acoustiques de vitesse par effet Doppler).
Deux campagnes de jaugeage ont été effectuées :
La première campagne s’est déroulée du 21 au 22 avril 2020 : correspond à la mi- saison où les niveaux d’eau et le débit dans le canal sont moins importants ;
La deuxième campagne de jaugeage a eu lieu les 07 et 08 juillet 2020 : correspond à la période de pointe où les hauteurs d’eau et le débit dans le canal sont importants.
Les résultats des campagnes de jaugeages ont été utilisés pour caler le modèle hydraulique du canal.
Ces résultats sont présentés dans les tableaux en Annexe 7.
Historique de prélèvements des différentes structures
Les données de prélèvement collectées auprès des canaux membres et utilisées dans cette étude sont récapitulées dans le Tableau 5-1. Ces données ont permis de construire les hydrogrammes utilisés dans le modèle comme conditions aux limites au droit des prises.
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Table des matières
REMERCIEMENTS
RESUME
ABSTRACT
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES SIGLES ET ABREVIATIONS
INTRODUCTION
1 GÉNÉRALITÉS
1.1 Présentation de l’entreprise d’accueil
1.1.1 Historique et organisation
1.1.2 BRL Ingénierie
1.2 Présentation du canal de l’Union
1.2.1 Contexte historique
1.2.2 Limites géographiques
1.2.3 Canaux membres et superficies desservies
1.2.4 Personnel administratif et technique du canal de l’union
1.2.5 Ressource en eau et débits disponibles
2 ETAT DE L’ART
2.1 Enjeux de la modernisation des canaux d’irrigation
2.2 Mode de distribution de l’eau d’irrigation
2.2.1 Tour d’eau ou rotation
2.2.2 Distribution à la demande
2.2.3 Distribution arrangée
2.3 Régulation des canaux d’irrigation
2.3.1 Commande par l’amont
2.3.2 Commande par l’aval
2.4 Modélisation des canaux d’irrigation
2.5 Organisation de l’étude
3 ETAT DES LIEUX
3.1 Berges du canal
3.2 Ouvrages de prise
3.2.1 Ouvrage de prise en tête .
3.2.2 Ouvrages de prises latérales
3.2.3 Stations de pompage
3.3 Ouvrages de régulation
3.4 Ouvrages de décharge
3.5 Points de rejet dans le canal
3.6 Ouvrages de franchissement
3.7 Equipement de mesure et télétransmission
4 MODALITES DE GESTION DES OUVRAGES LE LONG DU CANAL
4.1 Prise en tête
4.2 Ouvrages de décharge
4.3 Ouvrages en ligne
4.4 Ouvrages de prise des canaux membres
4.4.1 Mode de distribution et modalité de gestion en période normale
4.4.2 Mode de distribution et modalité de gestion lors d’événements pluvieux
5 MODELISATION HYDRAULIQUE
5.1 Justification du choix du modèle utilisé
5.2 Présentation du logiciel SIC
5.3 Données de base pour la modélisation
5.3.1 Données topographiques
5.3.2 Données des campagnes des jaugeages
5.3.3 Historique de prélèvements des différentes structures
5.3.4 Evaluation des apports pluviométriques absorbés par le canal de l’Union
5.4 Construction du modèle
5.4.1 Géométrie du modèle
5.4.2 Prise en compte des ouvrages
5.4.3 Conditions aux limites
5.4.4 Pertes par infiltrations
5.5 Calage et validation du modèle
5.6 Exploitation du modèle hydraulique
5.6.1 Estimation de la capacité hydraulique du canal (simulation C01)
5.6.2 Estimation du temps de transfert (simulation T01)
5.6.3 Simulation en période Normale – Pointe (Simulation N01)
5.6.4 Simulation en période Normale – Hors Pointe (Simulation N02)
5.6.5 Simulations en période pluvieuse – Pointe (Simulations P01-A et P01-B)
5.6.6 Simulation en période pluvieuse – hors Pointe (Simulations P02-A et P02-B)
5.6.7 Simulation en période pluvieuse – événement réel (Simulation P03)
5.6.8 Simulation lors de la restriction des prélèvements (simulation R01)
CONCLUSION ET PERSPECTIVES
BIBLIOGRAPHIE
Annexes
