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Les fleuves, les rivières et le ressaut hydraulique

Dossier - L'air et l'eau, deux fluides essentiels
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L’air et l’eau sont les deux fluides fondamentaux pour la vie. L’Homme en a un usage biologique quotidien, mais il en exploite aussi l’énergie. Cependant, il est bien difficile de prédire le comportement de l’environnement ! Découvrez les secrets de phénomènes météorologiques comme les orages, les tornades ou El Niño dans ce dossier.

  
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Sur les continents, le cycle de l'eau se manifeste notamment à travers les fleuves, les rivières et les lacs, naturels ou artificiels. Leurs aspects les plus spectaculaires attirent les promeneurs et attisent notre curiosité.

Le ressaut hydraulique

L'agitation de la surface des torrents de montagne traduit la géométrie très tourmentée de leur lit, formé de gros cailloux. Dès que la profondeur est comparable à la taille des cailloux, tout obstacle se répercute immédiatement sur la surface libre. Chaque caillou se comporte alors comme un seuil. Au contraire, dans un fleuve aux eaux tranquilles, où la profondeur est supérieure à la profondeur critique, une irrégularité du lit ne laisse presque aucune trace à la surface. Pour qu'une grosse pierre ait un effet sur cette surface, il faudrait en effet qu'elle ait une taille du même ordre de grandeur ou plus grande que la profondeur critique hc. Si la hauteur de cette pierre est supérieure à hc, comme c'est le cas des seuils artificiels, elle provoque un brusque changement de régime. L'écoulement devient localement torrentiel au-dessus du seuil et immédiatement à l'aval, puis il retrouve son allure fluviale un peu plus loin, après une sorte de singularité appelée « ressaut hydraulique » (voir figure ci-après).

Schéma d’un ressaut hydraulique dans un canal, avec un régime torrentiel à l’amont et fluvial à l’aval. La région grisée représente les remous qui dissipent une grande partie de l’énergie. Sa longueur est souvent du même ordre de grandeur que la profondeur. La flèche bleue indique la direction de l’écoulement. Les pentes des surfaces libres à l’amont et à l’aval du ressaut, ainsi que celle de la ligne de fond, sont tellement faibles qu’à l’échelle du ressaut, ces lignes peuvent paraître horizontales. © Grenoble Sciences

Ces seuils artificiels sont couramment utilisés par les services chargés de l'entretien des cours d'eau ou de la gestion des ressources en eau. Ils permettent de créer des pertes d'énergie sous la forme de forts remous qui réduisent l'érosion des berges et la localisent au voisinage du seuil, régulièrement bétonné et entretenu. Ils facilitent aussi la décantation à l'amont du seuil des matières en suspension entraînées par la rivière. Ils servent encore à mesurer et prédire assez tôt le débit qui arrivera plus tard dans une retenue située en aval.

Une cascade de propriétés

De nombreux cours d'eau offrent le spectacle de superbes cascades, dont les sites attirent de nombreux touristes. L'exemple le plus célèbre est, sans conteste, les chutes du Niagara en Amérique du Nord, sur le fleuve Saint-Laurent, visitées chaque année par plus de dix millions de personnes. Toutefois, les petites cascades dans les vallées des massifs alpins ou pyrénéens attirent aussi chaque jour de nombreux randonneurs. Toutes ces cascades, grandes et petites, obligent les services chargés de leur entretien à maîtriser l'affluence des touristes et à effectuer régulièrement des travaux conséquents. Mis à part la beauté de ces sites éclairés par des eaux aux couleurs saisissantes, quelles propriétés remarquables possèdent ces chutes ?

Les chutes du Niagara attirent des millions de visiteurs chaque année. © IronRodArt, Royce Bair Star Shooter, cc by nc 2.0

Du point de vue hydraulique, la propriété la plus notable est certainement la grande vitesse atteinte par chaque tranche d'eau en chute libre. Pour une chute de 100 m, elle est de l'ordre de 45 m/s, pour une chute de 10 m de l'ordre de 14 m/s. Au regard d'un touriste situé à proximité immédiate, ces deux vitesses, respectivement 160 km/h et 50 km/h, semblent vertigineuses. En réalité, le frottement de l'eau dans l'air n'est pas négligeable comme on pourrait le penser, en raison des instabilités de la surface libre. Celle-ci acquiert une forme très complexe d'où sont arrachées de très nombreuses gouttelettes et, avec elles, une quantité de mouvement significative. Elle n'est pas comparable à une paroi lisse, mais plutôt à une paroi rugueuse. La vitesse est donc plus faible que les valeurs données plus haut, qui constituent néanmoins des ordres de grandeur convenables.

L'autre propriété remarquable des cascades est la présence très fréquente d'un brouillard autour de la chute. L'origine de ce nuage, pratiquement posé sur l'eau de la cuvette qui reçoit la cascade, est double. On y trouve d'abord le reliquat des gouttelettes arrachées de la chute après évaporation partielle, limitée par la capacité de l'air environnant à dissoudre la vapeur d'eau. On voit aussi ce nuage se reformer constamment au-dessus de la cuvette qui renvoie en l'air sous la forme d'une trombe une partie significative du débit qu'elle reçoit. La hauteur de cette trombe, qui retombe à son tour dans la cuvette en l'agitant puissamment, peut atteindre plusieurs mètres.