Modélisation hydrodynamique des écoulements dans les cours d’eau tropicaux : vers l’exploitation d’hydroliennes dans le fleuve du Maroni.

 

Doctorant : Mourad Boutouchent (Université de Guyane).
Directeur de thèse : Enguerran Grandchamp (Maitre de conférences, HDR informatique, Université des Antilles).
Co-directeur de thèse : Sylvain Guillou (HDR mécanique des fluides, Université de Caen-Basse Normandie.
Collaborateur : Xavier Goossens (Responsable de la mission Eau-Energie, Office de l’Eau de Guyane).
Date : 17 juillet 2017

Résumé : 

L’accès à l’énergie est aujourd’hui incontournable pour le développement des populations. Cependant dans certains cas, la configuration géographique ne permet pas la mise en place d’un tel réseau électrique ou son extension aux sites isolés. Dans ces cas, les autorités locales optent pour les générateurs diesels pour l’électrification des sites de peuplements isolés, et ce même en zone tropicale malgré le prix exorbitant du fioul et la difficulté de l’acheminer aux sites isolés.

Les autorités locales devraient promouvoir suffisamment le développement des énergies renouvelables, particulièrement dans les tropiques où l’énergie hydraulique domine l’énergie éolienne et solaire. Toutefois, bien que la zone tropicale reçoive un régime pluvial très important et dispose de réseaux hydrographiques puissants, l’hydrologie dans cette zone et le fonctionnement de ces cours d’eau restent mal compris et peu étudiés. En effet, la plupart des études effectuées transposent des constats et des données issues de la zone tempérée directement en zone tropicale sans une analyse claire de leur pertinence.

Les populations rurales et/ou isolées, sont généralement installées sur les rives des grands fleuves en zone tropicale, l’énergie hydraulique devrait donc être considérée comme une alternative séduisante aux générateurs diesel pour l’approvisionnement de ces populations en électricité. En effet, les systèmes photovoltaïques et éoliens doivent être considérés seulement après avoir pris des mesures de protection et de maintenance contre l’humidité extrême et les coups de foudre. En outre, les microcentrales hydroélectriques nécessitent une certaine hauteur de chute et des structures de génie civil très couteuses. Par conséquent, les hydroliennes s’imposent naturellement compte tenu de leur coût de base et de maintenance très bas par rapport au reste des systèmes d’énergies renouvelables et du fait qu’il existe des turbines destinées à opérer dans des cours d’eau à faibles courants.

Usuellement, l’installation d’hydroliennes fluviales nécessite l’identification et la caractérisation préalable de sites où la vitesse d’écoulement reste au-dessus de 1 ou 1.5 m/s et la profondeur d’eau demeure supérieure à 2m. Ceci nécessite à son tour la détermination préalable des variables hydrauliques comme la vitesse d’écoulement, la profondeur d’eau, le débit, la pression, l’énergie turbulente et particulièrement le flux de l’énergie hydrocinétique au voisinage des populations isolées.

En revanche, les cours d’eau tropicaux sont approvisionnés par des régimes pluviaux très important et coulent sur des reliefs peux accidentés. Cela leur permet de développer des morphologies complexes telles que les anabranches et les méandres. La connaissance de l’évolutiontemporelle des variables citéesci-dessus le long de ces rivières est un défi en soi car elle ne peut être réalisée que par la modélisation numérique.

La modélisation numérique des écoulements dans un grand fleuve anabranché nécessite à son tour un Modèle Numérique de Terrain (MNT) de haute résolution et la connaissance des variables d’écoulement sur les frontières du domaine de calcul. A partir de là commence ce travail où les objectifs, les questions ainsi que les challenges se mélangent. Voici quelques-uns d’entre eux :

  • La plupart des cours d’eau tropicaux souffrent d’un manque de données hydrologiques, comment faut-il procéder pour produire un MNT assez précis pour la réalisation des simulations hydrodynamiques correctes ?
  • Qu’attendons-nous de la modélisation hydrodynamique dans les anabranches en dehors des périmètres d’intérêt. Est-il vraiment indispensable d’obtenir des résultats précis dans ces zones ?
  • Quel model est le plus adapté aux morphologies des cours d’eau tropicaux, 1D, 2D ou 3D et pourquoi ?

Ce mémoire de thèse est structuré en quatre chapitres. Le premier est une introduction générale aux problématiques de la thèse. Il dresse dans un premier temps l’état de l’art de l’électrification des sites isolés et présente un panorama plus ou moins exhaustif de la technologie hydrolienne. Dans un second temps, nous passons en revue les méthodes d’évaluation de la ressource hydrolienne continentale à travers des études concrètes réalisées aux Etats-Unis, au Canada, en Europe et au Brésil. Les critères de présélection des sites potentiellement propices à un développement hydrolien dans le Maroni, ainsi que les grandes lignes de la méthode retenue pour la caractérisation approfondie de ces sites, sont alors définis compte tenu des spécificités morphologiques et hydrauliques de ce fleuve.

Le deuxième chapitre transcrit l’état de l’art de la modélisation mathématique des écoulements fluviaux et présente quelques études de comparaison entre les modèles 1D,2D et 3D à travers des cas réel et/ou à la base de ce qui est convenu par la communauté scientifique. Ceci a permis de justifier le choix du modèle 2D de Saint-Venant et le modèle de résolution TELEMEC2D compte tenu du contexte hydromorphologique du Maroni.

Le troisième chapitre porte sur la collecte de données existantes dans le Maroni et la campagne de terrain réalisée au mois de mai 2015. Les méthodes d’interpolation bathymétrique dans les rivières de morphologie complexe sont ensuite rapportées, analysées et critiquées. Cela nous a permis de mettre en place une nouvelle technique d’interpolation de la bathymétrie adaptée aux complexités des cours d’eau anabranchés et au manque de données. Cette méthode englobe à la fois des traitements SIG et des algorithmes informatiques d’ordres géométriques et hydrologiques. Elle permet de mener une interpolation anisotrope dans la direction de l’écoulement et la direction transversale. Il s’agit d’une méthode robuste car elle est capable d’estimer les données manquantes à ses prérequis de fonctionnement. Ainsi le fruit de ce chapitre est le premier MNT du Maroni sur une longueur totale de 105.5km (de Maripasoula en amont à Grand Santi en aval). Dans ce MNT, les anabranches dépourvues de données bathymétriques, si elles sont situées en dehors des périmètres de prospection, sont considérées comme des milieux poreux. Les îlets de ces anabranches sont représentés par un coefficient de porosité dans le modèle hydrodynamique.

Le quatrième chapitre est entièrement consacré aux simulations hydrodynamiques dans le Maroni. Les données hydrométriques disponibles sont analysées, critiquées, corrigées et de nouvelles courbes de tarages sont établies puis comparées à leurs homologues de la DEAL et de l’IRD. Les nouvelles courbes ajustent mieux les jaugeages que les anciennes courbes. Ensuite, une phase de calibration rigoureuse du frottement et des paramètres numériques du modèle hydrodynamique a été effectuée. Une carte de frottements sur la totalité du domaine de calcul est alors obtenue et ce pour trois maillages distincts et deux MNTs. Dans le premier MNT, toutes les données LiDAR du niveau du sol sont assimilées dans le modèle géométrique. En revanche, dans le second MNT, les données LiDAR des biefs poreux sont exclues du processus d’assimilation. Les résultats montrent clairement que les simulations réalisées sur le deuxième MNT s’écoulement plus rapidement que dans le cas du premier,sans perte de précision.

Le traitement et l’analyse des résultatsont été réalisés à l’aide d’un code JAVA que nous avons développé. Il applique automatiquement les critères imposés sur la hauteur d’eau et la vitesse d’écoulement et délimite ainsi les sites favorables à l’installation d’hydroliennes. Dans certains sites d’intérêt, des vitesses d’écoulements excèdent 2m/s et la densité de l’énergie hydrolienne demeure supérieure à 4 kW/m².

Mots clés : Cours d’eau larges, bathymétrie, ADCP, anabranches, méandres, MNT, TELEMAC2D, milieux poreux, puissance hydrolienne.

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