APPlICATIoN à lA GeSTIoN DeS eAuX
4.6 NAVIGATION ET CORRECTION DES COURS D’EAU
4.6.1 Application de l’hydrologie à
la navigation
Les cours d’eau constituent un élément du paysage et font partie de l’environnement naturel, culturel et économique. Outre leur fonction de voies navi-gables, ils revêtent une grande importance sur le plan de l’économie et de l’écologie au niveau national.
Aux premiers stades de développement de la navi-gation, les moyens de transport étaient principale-ment conçus pour s’adapter aux caractéristiques des rivières ou des biefs concernés. Au fil du temps, le besoin d’une capacité de transport accrue a conduit à une uniformisation des conditions de navigation au moyen de la canalisation et de la régularisation des cours d’eau, qui a permis le transport à longue distance sur des navires toujours plus grands, sans transbordements fréquents et coûteux.
Depuis les premiers temps de la navigation fluviale, les paramètres fondamentaux des voies navigables sont la profondeur et la largeur. Différentes concep-tions prévalent en matière de mise en valeur des voies navigables. Selon la théorie classique des régimes fluviaux, il convient de privilégier un aménagement fondé sur les caractéristiques hydro-logiques lorsqu’il s’agit de cours d’eau très méan-dreux, coulant librement en région de plaine, alors que l’ingénierie hydraulique est la méthode de choix là où les rivières sont plus escarpées, y compris les tronçons dont les berges sont renforcées. Le nombre de paramètres qui peuvent être pris en compte dépend uniquement de la puissance de calcul disponible. On accorde désormais une atten-tion croissante à la relaatten-tion entre la concepatten-tion des
navires – forme, tirant d’eau, mode de propulsion – et la structure et la capacité d’acheminement des voies navigables. En ce qui concerne les caractéris-tiques hydrologiques, une différenciation générale doit être établie entre, d’une part, les cours d’eau à écoulement libre et, d’autre part, les tronçons de cours d’eau endigués ou canalisés de rivières ou les canaux artificiels. Les paramètres hydrologiques ou hydrauliques et les caractéristiques de l’interaction des navires et des voies navigables caractérisent et définissent la qualité des cours d’eau navigables.
Certains facteurs influençant la navigation restent plus ou moins constants sur de longues périodes et peuvent être représentés par des paramètres bien définis. D’autres, par contre, caractérisent des conditions de navigation variables dans le temps en fonction du régime du cours d’eau, notamment pendant les crues et les étiages. Un exemple d’évé-nement aux conséquences négatives est donné par la période prolongée d’étiage du Rhin en août 2003 (figure II.4.26). Le bassin versant du cours d’eau, compte tenu de son type, sa taille et son écoulement tout au long de l’année, constitue aussi un facteur clé.
L’hydrologie joue un rôle essentiel dans deux aspects fondamentaux de la navigation fluviale:
a) La caractérisation des biefs du cours d’eau eu égard aux types de navires qui y naviguent régulièrement (par exemple la classification des cours d’eau d’après la figure II.4.27);
b) Les conditions hydrologiques présentes qui déterminent le passage des navires en fonction, par exemple, de la profondeur navigable ou des niveaux d’eau équivalents.
Ces deux aspects sont examinés plus en détail dans les sections suivantes.
Figure II.4.26. en août 2003, les basses eaux du Rhin entravent la navigation
Figure II.4.27. exemple européen de classification des voies navigables
4.6.1.1 Application des données
hydrologiques à la caractérisation des voies navigables
Le but d’une étude du potentiel d’une voie navi-gable est de déterminer, pour chacun de ses biefs, les probabilités saisonnières de navigabilité pour différentes catégories de navires. Cela peut être réalisé en utilisant une classification en catégories basées sur des paramètres pertinents comme ceux définis par la Commission économique des Nations Unies pour l’Europe (CEE-ONU). Les définitions de plusieurs de ces paramètres sont données ci-dessous:
Voie navigable ou chenal – Portion de rivière acces-sible aux bateaux et convois fluviaux, marquée par des signaux de navigation (balisage).
Capacité de navigation – Ensemble des caracté- ristiques de profondeur, largeur, tirant d’air et courbure du cours d’eau, qui sont nécessaires pour la navigation courante et sûre de bateaux de dimensions données (figure II.4.28).
Profondeur minimale de la voie navigable (h) – Profondeur minimale navigable à l’étiage, garantie sur la largeur requise du cours d’eau.
Largeur minimale de la voie navigable (B) – Largeur minimale navigable à l’étiage, sur laquelle la profondeur requise du cours d’eau est garantie.
Tirant d’air autorisé (H) – Plus petite différence verticale, calculée sur toute la largeur de la voie navigable, entre le point le plus bas de toute struc-ture aérienne (par exemple un pont) et le niveau d’eau navigable le plus élevé.
Rayon de courbure minimum (R) – Limite inférieure admise pour le rayon de courbure d’un méandre de la rivière, mesuré le long de l’axe du cours d’eau à l’étiage navigable.
Étiage navigable (HK) – Niveau critique auquel la largeur et la profondeur minimales de la voie navigable sont garanties.
Hautes eaux navigables (HN) – En général, niveau critique pour lequel le tirant d’air autorisé est garanti.
Besoin en eau pour la navigation – Débit minimum nécessaire qui garantit la profondeur qu’exige une navigation sure et aisée.
Débit minimum navigable – Débit minimum auquel l’étiage navigable est garanti dans une section transversale du cours d’eau.
Débit maximum navigable – Débit maximum auquel les hautes eaux navigables sont garanties dans une section transversale du cours d’eau.
Saison de navigation – Période de l’année durant laquelle la navigation n’est pas entravée par les glaces.
Gué – Zone de transition, de faible profondeur, entre deux méandres du cours d’eau (acception propre au contexte).
Gué principal – Gué le moins profond d’un bief navigable.
Les méthodes de caractérisation de ces paramètres sont détaillées ci-dessous.
4.6.1.1.1 Paramètres géométriques
Pour établir la largeur et la profondeur disponibles pour la navigation, il faut exécuter des observations (au sondeur acoustique par exemple) aux emplace-ments d’une série de sections transversales rappro-chées. À chaque section transversale, le niveau minimum est ainsi établi pour lequel la largeur minimale navigable est garantie. L’étiage navigable de chaque section transversale se détermine en ajoutant la profondeur minimale navigable (fixée pour la rivière) à ce niveau minimum. Le rayon de courbure peut être déterminé graphiquement à
Note: Voir définitions, 4.6.1.1
Figure II.4.28. Caractéristiques géométriques des voies navigables
HK
HN HK
HN
h
B
H h
L
H
partir de cartes topographiques, d’échelle appropriée et exactes.
Pour caractériser les possibilités de navigation qu’offre une rivière, il est souhaitable d’exécuter cette procédure pour plusieurs valeurs de la largeur minimale navigable, afin de déterminer le gabarit de la rivière à son état naturel.
4.6.1.1.2 Paramètres hydrologiques
Afin de déterminer dans quelle mesure le régime d’écoulement d’un cours d’eau garantit un débit d’étiage navigable, il faut dresser des hydro-grammes et des courbes débit-durée pour des sections transversales définies.
Si possible, il y a lieu d’établir les hydrogrammes annuels à partir des données journalières d’une série chronologique d’au moins 30 ans, en tenant compte d’une vaste gamme de valeurs probables (figure II.4.29). Il faut en outre les calculer pour plusieurs probabilités de dépassement. En superpo-sant les niveaux d’étiage navigables sur ces courbes, on peut déterminer les périodes pendant lesquelles la profondeur minimale requise pour la navigation est atteinte suivant une probabilité donnée. Les durées des périodes ainsi définies peuvent alors être obtenues par un calcul des durées et/ou des proba-bilités. Comme la relation entre hauteur et débit
n’est pas toujours constante dans le temps, le calcul des durées de dépassement de seuil doit être mené sur les débits, puis les débits correspondants doivent être convertis en niveaux d’eau à l’aide de la courbe de tarage en cours de validité (volume I, chapitre 5). En comparant les niveaux d’étiage navigables de toutes les sections transversales à l’aide des hydrogrammes, on obtient la durée minimum du niveau d’étiage navigable sur tout le bief. Par exemple, selon les recherches menées sur le Danube, le niveau d’étiage navigable correspond au niveau d’eau dont la durée s’établit à 94 %, calculé pour les séries de données de niveau en l’absence de glace (figure II.4.30).
En zones tempérée et arctique, la durée de la saison navigable dépend principalement du régime des glaces propre aux cours d’eau. À l’aide des observa-tions réalisées sur les phénomènes liés au gel, par exemple les glaces dérivantes, la prise en glace, la débâcle ou la fonte complète (volume II, chapitre 6), on parvient à quantifier de manière probabiliste les phénomènes intéressant la navigation et à Figure II.4.29. hydrogrammes du débit moyen
pour la section transversale du Danube située au kilomètre 1 695
80 % 90 % 95 %
99 % 102,5
102,0
101,5
101,0
100,5
100,0
II
I III IV V VI VII VIII IX X XI XII
HK
Figure II.4.30. Détermination du niveau d’eau et du débit navigable pour une durée donnée
H 94 %: 217 cm
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
Q(H)
Niveau d’eau H (cm) Débit, Q/m3 s–1
100 200 300 400 500 600 700
1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000 7 000
Ouma Mohacs
Q 94 %: 1 135 m3 s–1
Durée (%)
estimer la durée des interruptions forcées. La figure II.4.31 fournit les résultats de tels calculs pour la partie hongroise du Danube.
Pour que l’intervention des brise-glace soit efficace (rupture, tangage, déchiquetage), il importe de réunir et d’analyser des séries temporelles de données d’observation sur l’épaisseur de la glace.
En l’occurrence, il importe précisément de déter-miner les périodes où cela vaut la peine de conti-nuer ou de commencer à briser la glace pour maintenir le chenal libre de glace et où de tels efforts doivent être abandonnés par souci d’éco-nomie. Ces périodes varient surtout en fonction des conditions météorologiques qui déterminent la formation et la rupture de la glace.
4.6.1.1.3 Paramètres hydrauliques
L’étude du régime des écoulements, comme elle est décrite au chapitre précédent, ne peut être effectuée que pour certaines sections transversales relativement stables. C’est donc par interpolation qu’on obtient les niveaux d’étiage et de hautes eaux
navigables dans les biefs situés entre ces sections. La méthode d’interpolation la plus fiable, notamment pour le niveau d’étiage, est le calcul de profils en long de la rivière, ce qui exige la connaissance de paramètres hydrauliques, notamment les pentes et rugosités des différents biefs de la rivière entre les sections transversales (voir 6.3.6).
4.6.1.2 Application des données hydrologiques à la navigation opérationnelle
La navigation fluviale est une activité économique complexe, très dépendante des facteurs naturels et qui ne peut être assurée, de l’étape de la planifica-tion à celle de l’exploitaplanifica-tion, sans une connaissance fiable de l’état du lit de la rivière, du débit, du régime des glaces et de la variabilité prévue de ces facteurs avec le temps. Pour pouvoir disposer de ce type d’information, il faut recueillir de façon suivie des données sur le régime hydrologique, prévoir les changements anticipés et communiquer régulière-ment ces données et ces prévisions aux utilisateurs potentiels. Dans de nombreux cas, ce processus est assuré de manière conventionnelle par les Services hydrologiques nationaux. Toutefois, les systèmes de modélisation et les services d’information, qui sont devenus de plus en plus courants, sont souvent utilisés directement par les services de navigation eux-mêmes. Citons à titre d’exemple le système électronique d’information pour la navigation utilisé sur le Rhin.
4.6.1.2.1 Collecte des données
La navigation utilise une grande variété de données recueillies par les Services hydrologiques, et notamment:
a) Des données portant sur le bassin fluvial, comme la topographie, la végétation, les modes d’utilisation des sols et les précipitations. Cela s’effectue en étroite concertation avec les Services météorologiques nationaux et les auto-rités responsables de la planification au niveau régional;
b) Des données recueillies aux stations de jaugeage, concernant par exemple les niveaux d’eau, les débits, la température de l’eau, la température de l’air, les matières en suspension, la charge de fond, les phénomènes liés aux glaces, etc.;
c) Des données physiographiques recueillies le long des biefs du cours d’eau, concernant par exemple les variations du cours de la rivière, les structures du lit, les gués et leur profondeur, la direction et la vitesse de l’écoulement, les profils de la surface de l’eau et les phénomènes liés aux glaces.
Figure II.4.31. Conditions de gel dans la partie hongroise du Danube
Fréquence de glace dérivante et de gel complet
Probabilité de la durée de la période de gel (en jours)
Probabilité de la durée d’une couche de glace stable
1 850 1 800 1 750 1 700 1 650 1 600 1 550 1 500 1 450
Bratislava Dunaremete Gönyü KomâromVág Dunaalmas Esztergom Garam Ipoly Vác Adony
Budapest Ercsi Dunaújváros Dunaföldvár Dombori Baja Mohács
Mosoni- Duna Sió
Durée (jours) KilomètreDurée (jours) Fréquence (%)
100
Pour la plus grande partie des données nécessaires à la navigation, les méthodes d’observation sont celles que l’on utilise en général (volume I, chapitre 2), bien que des différences apparaissent essentielle-ment pour les mesures effectuées aux stations de jaugeage et le long des biefs entre ces stations.
Les zones de transition entre des méandres d’orien-tation opposée présentent souvent des hauts-fonds qui constituent les points les plus critiques du cours longitudinal du cours d’eau naturel. Les mesures de hauts-fonds doivent donc être reprises fréquem-ment chaque fois que la profondeur de l’eau au-dessus de ces hauts-fonds n’atteint pas la valeur requise. Les profondeurs devraient être mesurées le long de la crête du tronçon peu profond. Grâce à ces mesures, on peut déterminer la largeur de la voie navigable pour ce tronçon. La longueur du bief du cours d’eau où la profondeur de l’eau est infé-rieure à la profondeur navigable minimum doit être signalée.
Pour sécuriser les manœuvres des convois de barges, il est nécessaire de mesurer la direction et la vitesse des écoulements tout au long des biefs critiques, comme les biefs peu profonds, les affluents et les défluents, ainsi qu’en amont et en aval des écluses.
La vitesse de surface est mesurée à l’aide de flotteurs, tandis que la direction et la vitesse des courants au sein de la veine liquide sont mesurées à l’aide de moulinets équipés d’indicateurs de direction. La technique la plus récente utilise le principe du sondeur acoustique Doppler de profils de courants, qui permet de mesurer ou de calculer tous les para-mètres dont on a besoin en tout point du profil transversal.
Les observations normalisées portant sur les glaces, qui font partie des programmes d’observation régu-liers assurés aux sections de jaugeage, ne sont pas suffisantes pour les besoins de l’évacuation des crues et de la navigation. Il faut donc les compléter en ce qui concerne aussi bien les lieux d’observa-tion que les phénomènes observés. Les observad’observa-tions doivent être étendues aux biefs compris entre les stations de jaugeage, de manière à disposer d’au moins un point d’observation tous les 5 à 10 kilo-mètres. La régularité des observations des divers biefs importe au plus haut point, en particulier pour ce qui concerne les embâcles. Pendant les périodes de dérive des glaces et les périodes d’englacement et de débâcle, les observations devraient être quoti-diennes, alors que pendant la période de gel complet et de débit constant, des observations exécutées tous les 5 à 10 jours peuvent suffire. La fiabilité des observations réalisées depuis la rive peut être considérablement améliorée par des levés aériens,
notamment des levés photogrammétriques. Il est recommandé de tracer des cartes de l’état de la glace au moins tous les 5 à 10 jours et de les communi-quer aux autorités compétentes et aux usagers.
Pour les prévisions relatives aux glaces qui intéres-sent la navigation, il est indispensable d’observer les premières formations cristallisées et le dévelop-pement de la glace à partir des rives. Là où les conditions hydrauliques permettent la formation de frasil, il faudrait caractériser la densité de celui-ci selon une échelle à trois niveaux: 0–33 %, 34–67 % et 68–100 % de la profondeur du cours d’eau. La densité des glaces dérivantes est caractérisée par leur taux de couverture: 0–10 %, 11–20 %, ..., 91–100 % de la surface du cours d’eau.
4.6.1.2.2 Prévision
L’efficacité et la sûreté de la navigation intérieure dépendent de la fiabilité des données hydrologiques et des prévisions concernant les niveaux d’eau en situation d’étiage et de crue, les phénomènes liés à la glace et les profondeurs d’eau au-dessus des goulets et des hauts-fonds. Il faut disposer de prévi-sions aussi bien à courte échéance qu’à longue échéance. Les responsables de la navigation s’inté-ressent naturellement aux prévisions de débit sur les tronçons navigables des cours d’eau.
Outre les méthodes générales de prévision hydro- logique (voir le chapitre 7), la navigation utilise souvent des prévisions mensuelles établies en tenant compte des volumes d’eau stockés dans le réseau hydrographique, comprenant aussi bien les eaux superficielles que les eaux souterraines.
Comme la navigation est particulièrement sensible à la fiabilité des prévisions de niveau d’eau à l’étiage, il convient d’utiliser des bandes de confiance relati-vement étroites. Si l’on prend le Danube pour exemple, les valeurs suivantes sont appliquées:
Probabilité de dépassement Largeur de la bande de confiance
60 à 70 % 50 cm
70 à 80 % 40 cm
80 à 100 % 30 cm
4.6.1.2.3 Transmission des données et des prévisions
Les données recueillies le long d’un cours d’eau navigable et les prévisions qui en sont déduites ne peuvent être utiles que si elles sont transmises aux compagnies de navigation, aux capitaines et aux autorités des voies navigables en temps voulu.
Pour cela, un système bien organisé de collecte et de transmission des informations est indispen-sable. En Allemagne par exemple, on utilise une radio d’informations nautiques. Un tel système est particulièrement important pour un cours d’eau international comme le Danube, qui traverse huit pays. En conformité avec les recommandations formulées par la Commission du Danube, les données recueillies dans le bassin sont transmises chaque jour par télex. Pour éviter les erreurs de transmission, des codes internationaux élaborés d’un commun accord (volume I, chapitre 2) ont été adoptés pour le transfert des données. Les annonces parviennent aux capitaines d’une part par radio, d’autre part sous forme de bulletins hydrologiques quotidiens.
4.6.1.3 Navigation sur les lacs et les canaux La navigation sur les lacs et les canaux diffère consi-dérablement de la navigation fluviale par les points suivants:
a) L’importance des régimes physiographiques et hydrologiques pour les conditions de navigation est bien moindre, compte tenu des ouvrages de régulation qui garantissent la stabilité de ces conditions;
b) Sur les lacs et les retenues, la couverture de glace se maintient plus longtemps et la période de navigation est réduite d’autant;
c) Tandis que les problèmes dus aux seuils sont atténués ou même éliminés, des problèmes d’envasement peuvent apparaître localement en tête des réservoirs, près des écluses et des bassins portuaires;
d) Les effets du vent sur la navigation s’intensifient sur les lacs et les retenues;
e) Les opérations de navigation sont beaucoup plus assujetties aux règles de fonctionnement des écluses et autres ouvrages.
À des fins de sécurité, la navigation sur les lacs et les canaux nécessite davantage d’observations:
a) Sur le bord des lacs et des retenues d’eau, il convient d’installer des stations de mesure du vent et des dispositifs d’alerte et d’en assurer le bon fonctionnement;
b) Pour réduire l’envasement par des moyens tech-niques, il convient de mesurer systématique-ment les charges solides à l’entrée et à la sortie des retenues afin d’établir un bilan sédimentaire;
c) Les barrages créant des conditions favorables à la formation de frasil, il convient de procéder à des observations régulières à proximité de ces ouvrages;
d) Il convient d’installer des limnigraphes auto-matiques sur les sections transversales les
plus défavorables à la navigation, notamment
plus défavorables à la navigation, notamment