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Les lacs et le fonctionnement des barrages

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.

  
DossiersL'air et l'eau, deux fluides essentiels
 

Les grands barrages permettent de stocker d'énormes volumes d'eau, avec des objectifs variés et souvent complémentaires, comme la lutte contre les crues, l'irrigation, la production d'électricité et le tourisme. Leur développement a remodelé les paysages et leur construction fait toujours l'objet d'âpres discussions, voire de décisions de justice, notamment lorsqu'elle amène à déplacer des populations en changeant leur mode de vie.

Le cas le plus célèbre en France est certainement celui du barrage du Chevril, à Tignes. L'ancien village a été englouti et les habitants relogés aux Boisses, où leur activité n'est plus consacrée à l'agriculture de montagne, mais au tourisme désormais. Le record du gigantisme est détenu par le barrage des Trois-Gorges en Chine.

Barrage des Trois-Gorges en Chine, mis en eau par étapes depuis 2006. Longueur : 2.335 m, hauteur : 185 m, superficie de la retenue : 1.545 km2, puissance installée : 22.500 MW. © Christoph Flinkößl

Rencontre avec un barrage

Les parties visibles d'un aménagement de haute montagne dissimulent des organes importants et complexes, dont une description schématique est nécessaire pour permettre de comprendre comment le système global fonctionne (voir figure ci-après).

Représentation schématique et fonctionnelle d’une installation hydroélectrique de haute chute. Les différents éléments et leur rôle sont expliqués dans le texte. © Grenoble Sciences

Partons de la retenue (1) et du barrage lui-même (2), esquissés en coupe et situés à haute altitude. Quelque part sur le parement amont du barrage, ou sur les pentes voisines, se trouve une prise d'eau (3) (les grands aménagements en comportent souvent plusieurs), située ni trop bas pour ne pas emporter trop de boue et de dépôts solides, ni trop haut, sinon seule une faible fraction de la retenue serait utilisable.

Cette prise d'eau alimente une longue galerie (4) à pente faible, creusée dans les massifs montagneux environnants, qui amène le débit prélevé dans la retenue à proximité de la centrale hydroélectrique. La galerie d'amenée débouche sur une conduite forcée (5) en acier, solidement scellée dans des ancrages rocheux. C'est la conduite forcée, beaucoup plus courte que la galerie d'amenée et de diamètre plus petit, quelques dizaines de centimètres en général, qui encaisse la chute, souvent de plusieurs centaines de mètres, quelquefois supérieure à 1.000 m, et amène le débit à l'entrée des turbines. Pour permettre à l'énorme masse d'eau contenue dans la galerie d'amenée et dans la conduite forcée de s'arrêter lentement, alors que les vannes doivent être fermées rapidement, la solution consiste à prévoir une cheminée d'équilibre (6) à la jonction entre la galerie et la conduite.

Les vannes (8) sont situées à l'entrée de la centrale (7) immédiatement à l'aval de la conduite forcée. Lorsqu'elles se ferment, l'eau en mouvement lent dans la galerie peut monter dans la cheminée, équipée d'élargissements assez grands pour la stocker tant qu'elle continue d'arriver. L'eau monte ainsi au-dessus du niveau d'équilibre, jusqu'à ce que la différence de pression inversée la fasse redescendre en la refoulant vers la retenue. Des oscillations s'installent, mais la cheminée est conçue de façon à ce qu'elles s'amortissent progressivement, grâce aux étranglements et élargissements dessinés à cette fin. Réciproquement, lorsque les vannes sont ouvertes, l'eau stockée dans la galerie ne peut pas se mettre en mouvement instantanément, c'est donc le volume d'eau de la cheminée qui s'écoule d'abord dans la conduite forcée vers les turbines. De nouveau, des oscillations s'installent avant qu'un régime stationnaire soit atteint.

Finalement, dès l'ouverture des vannes (8), le débit commence à s'écouler dans la turbine (9). À l'aval de la turbine, l'eau passe successivement par un diffuseur (11), qui réduit sa vitesse et récupère l'énergie cinétique restante, puis par le canal de fuite pour déboucher dans le bassin de compensation (12) conçu pour étaler sur des durées assez longues les variations du débit.