Mortalité des poissons dans les dispositifs hydro-électriques (Radinger et al 2022)

Trois chercheurs viennent de publier un passage en revue de ce que l’on sait et ne sait pas sur la mortalité des poissons passant dans des dispositifs de production hydro-électrique : turbines, roues, vis d’Archimède. La bonne nouvelle est que cette mortalité (en moyenne autour de 22%) peut tendre vers zéro sur les meilleurs sites, ce qui indique les voies de progrès pour les décennies de transition à venir. Mais pas mal de données manquent encore pour analyser l’impact sur les populations de poissons, en particulier la proportion réelle de ces poissons qui s’aventurent dans les zones de turbinage plutôt que dévaler ailleurs. 

 

Johannes Radinger, Ruben van Treeck et Christian Wolter ont passé en revue les données disponibles sur la mortalité des poissons en turbine et autres dispositifs hydro-électriques. Leur ensemble de données contenait 1058 évaluations de la mortalité obtenues à partir de 249 expériences rapportées dans 91 études. Des évaluations de la mortalité ont été menées sur 122 sites dans 15 pays. Les types de turbines comprenaient des Kaplan (n = 119 expériences), Francis (n = 72), les turbines à très basse chute (VLH) (n = 15), les vis d'Archimède (n = 22), les roues hydrauliques (n = 11), les turbines cross-flow (n = 5) et quelques autres types de turbines (par exemple, turbine hydrostatique et turbine Pelton) (n = 5). Les données ont fourni 276 890 individus de 75 espèces dans 27 familles et 15 ordres.

Ce graphique montre les mortalités observées dans le passage de l’équipement hydro-électrique, selon la nature de celui-ci.

Extrait de Radinger et al 2022, art cit.

Légende : relations entre l'ordre taxonomique, l'échelle hydroélectrique, le type de turbine et la mortalité dans les évaluations de la mortalité des poissons dans les turbines hydroélectriques (Oth, autres ordres de poissons n = 11 906 ; VLH, turbine à très basse chute n = 14 598 ; vis, vis d'Archimède n = 18 427 ; Ww, roue hydraulique n = 5178 ; Cf, turbine tangentielle n = 5359 ; Ott, autre type de turbine n = 2862). La largeur des bandes est proportionnelle au nombre d'individus. L'échelle hydroélectrique fait référence à la capacité de production d'une centrale hydroélectrique (vSHP, très petite hydroélectricité de < 1 MW ; SHP, petite hydroélectricité de 1 < 10 MW ; et LHP, grande hydroélectricité de ≥ 10 MW). Le nombre de poissons n'est fourni que pour les groupes de plus de 20 000 individus. 

Parmi toutes les études, espèces et milieux, en moyenne 22,3 % (n = 61 797 individus) de tous les poissons passant par les turbines ont été tués ou ont subi des blessures graves, potentiellement mortelles. Les 77,7 % restants (n = 215 093 individus) ont été évalués comme indemnes ou sublétalement blessés.

Ce graphique montre les mortalités rapportées selon les poissons et les types de turbines étudiées (on remarque en mauve la fourchette importante d'incertitude à 95%):

Extrait de Radinger et al 2022, art cit.

Légende : relation entre la longueur du poisson et le taux de mortalité moyen pour les six principaux types de turbines (lignes, effets moyens prédits basés sur un modèle mixte linéaire généralisé avec un terme d'interaction du type de turbine × longueur du poisson ; ombrage, bandes de confiance à 95 % ; points, taux de mortalité spécifiques pour une longueur de poisson et un type de turbine donnés [parfois hors des bandes de confiance de la moyenne]).

La mortalité en turbine n’est pas la mortalité totale des poissons, puisque les poissons peuvent emprunter d’autres voies que le canal usinier et la chambre d’eau où se situe le dispositif hydro-électrique (toute l'eau de la rivière ne passe pas dans l'usine). Et ce dispositif est généralement protégé par des grilles visant à réduire le nombre de poisson y circulant. Les chercheurs observent :

« Les évaluations des impacts de l'hydroélectricité sur la mortalité des poissons dans les turbines ne doivent pas être considérées isolément. Il est également important de prendre en compte le risque d'entraînement des poissons, qui est la probabilité de passer devant les turbines par rapport à des voies alternatives, telles que des déversoirs ou des installations de dérivation ou de migration des poissons (Harrison et al., 2019 ; Schilt, 2007). (…) Il est essentiel de contextualiser le taux de mortalité à un taux réalisé par poisson ou par espèce pour tirer des conclusions plus larges au niveau de la population, en particulier pour les poissons non migrateurs qui n'ont pas nécessairement besoin de passer par les centrales hydro-électriques pour réaliser leurs cycles de vie. »

La conclusion donne le point de vue des chercheurs :

« Tous les avantages de l'hydroélectricité en tant qu'énergie propre et renouvelable doivent être débattus en rapport avec les blessures des poissons et les autres impacts qu'elle exerce. Nous soutenons que dans ces conflits d'intérêts, il est difficile de s'entendre sur des taux de mortalité tolérables et que les parties prenantes doivent tenir compte des aspects du bien-être animal, de l'écologie des populations et de la conservation de la biodiversité, mais aussi de l'économie de l'hydroélectricité, de la politique environnementale et de l'acceptation sociétale. Compte tenu de l'exhaustivité de notre ensemble de données et de nos analyses, qui tenaient également compte des incertitudes généralement négligées, nos résultats soutiennent un choix éclairé et un débat holistique sur la durabilité de l'hydroélectricité et l'importance d'élucider les coûts écologiques encourus sur les rivières. Pour les très petites et petites centrales hydroélectriques, la charge de justification est importante en raison d'un taux de mortalité global de 22,3 % et de leur grand nombre à l'échelle mondiale malgré leur part négligeable dans la production d'hydroélectricité renouvelable (ARCADIS & Ingenieur büro Floecksmühle, 2011 ; Schwarz, 2019).

La gamme de mortalités observées empiriquement a indiqué qu'il existait des centrales hydro-électriques avec des types communs de turbines, des configurations techniques et opérationnelles et des mesures de protection des poissons mises en œuvre qui ont réussi à réduire la mortalité, dans plusieurs cas même à 0. Ces centrales exemplaires ouvrent la voie à une hydroélectricité plus durable. En revanche, les configurations préjudiciables qui entraînent une mortalité élevée doivent être identifiées et fermées ou au moins substantiellement rénovées. Les turbines à rotation plus lente, telles que les vis d'Archimède, les turbines VLH et les roues hydrauliques, sont moins nocives pour les poissons que la plupart des types de turbines conventionnelles (Bracken et Lucas, 2013). Néanmoins, nous soulignons l'importance de poursuivre les recherches sur le développement de turbines généralement plus protectrices pour les poissons et les ajustements des turbines courantes (Čada, 2001 ; Hogan et al., 2014). Le fonctionnement et les effets protecteurs de ces turbines sur les poissons doivent être évalués avec des méthodes normalisées et contrôlées dans des conditions de terrain réalistes. Les turbines protectrices des poissons accompagnées d'installations fonctionnelles de migration des poissons vers l’amont et l’aval doivent devenir l'étalon-or. Compte tenu de l'essor actuel de l'hydroélectricité dans les grands systèmes fluviaux mégadivers (Anderson et al., 2018 ; Winemiller et al., 2016), l'adoption d'une telle norme à l'échelle mondiale est encore plus importante pour équilibrer les besoins en énergie renouvelable avec ceux de la protection de la biodiversité et et de l’amélioration envronnemental des écosystèmes fluviaux. »

Discussion

Ces données montrent que la mortalité des poissons en turbines, vis ou roues est un sujet réel, qui doit inspirer un souhait de généralisation progressive des bonnes pratiques. Cela concerne surtout les poissons de grande taille qui ont des migrations ou des mobilités importantes dans leur cycle de vie. Il convient de rechercher les meilleures options pour continuer à réduire cette mortalité, la bonne nouvelle étant qu’elle peut être quasi nulle dans les configurations les plus favorables. Au lieu de perdre de l’argent public à détruire des ouvrages utiles et appréciés en rivières, les gestionnaires publics eau et biodiversité seraient avisés de travailler davantage dans cette direction avec les exploitants.

Ce qui manque le plus à notre connaissance, ce sont des études assez massives et concluantes sur la proportion des poissons qui passent vers la turbine (ou vis, ou roue) par rapport à ceux qui prennent une autre voie de dévalaison (déversoir dans la zone de débit réservé, goulotte de dévalaison avant les grilles, etc.). En effet, l’impact réel sur les poissons au plan écologique (populationnel) tient à cette proportion des individus qui passent dans la turbine par rapport à celle qui dévalent autrement. Il existe quelques suivis radiotélémétriques (taggage de poisson pour analyser leur comportement de l’amont vers l’aval), mais ils sont sur de faibles populations. Et l’analyse de la configuration hydraulique des sites n’est pas standardisée (un seuil de moulin de 1 ,5 m déversé en permanence sur toute sa largeur n'est pas un barrage de 15 m avec un seul exutoire dévalant).

Il faut aussi signaler que dans le bilan global et holistique de l'hydro-électricité, on doit inclure les dimensions positives des retenues et canaux : ces milieux d'origine artificielle servent aussi de refuges et de zones de croissance à certains espèces. Et dans un contexte de réchauffement climatique, ils sont parfois les options de dernier ressort face aux mortalités massives impliquées par les assecs (voir par exemple la revue de Beatty et al 2017).

Aucun scénario de sortie du carbone ne prévoit la possibilité de se passer de l’hydro-électricité, la tendance étant d'augmenter sa part dans le mix énergétique, en particulier pour compenser les pertes pouvant être liées à de moindres débits en suite au réchauffement climatique et à de meilleurs aménagements écologiques au droit des ouvrages. Le GIEC intègre cette source d'énergie dans les options de prévention d'un réchauffement dangereux dans son dernier rapport. Il convient donc d’aborder ce sujet avec un esprit constructif où l’on cherche les meilleurs compromis entre la protection des poissons d’une part, la décarbonation et relocalisation de l’énergie d'autre part.  

Référence : Radinger J et al (2022), Evident but context-dependent mortality of fish passing hydroelectric turbines, Conservation Biology, 36, 3, e13870

Mortalité nulle d'anguilles au droit d'une usine hydro-électrique (Økland et al 2019)

Une étude allemande montre que la mortalité des anguilles en dévalaison dans des centrales hydro-électriques peut être réduite à néant, moyennant des passages adaptés et des grilles fines. L'écartement proposé pour ces grilles n'est cependant guère réaliste pour toutes les rivières et toutes les installations. Les producteurs d'hydro-électricité sont toujours en attente de protocoles d'étude du comportement des poissons en dévalaison, en particulier sur des sites de petite hydro-électricité où les conditions de vitesse, pression et débit diffèrent des moyennes et grandes centrales les plus souvent étudiées. La proportionnalité des mesures de correction d'impact passe par une définition robuste et consensuelle de l'impact au départ: l'Office français pour la biodiversité rechigne pour le moment à mettre en place les bons protocoles. 

Le site étudié, in Økland et al 2019, art cit

Finn Økland et ses collègues ont étudié la mortalité des anguilles en dévalaison au droit de la centrale Unkelmühle, reconstruite en 2011 sur la rivière allemande Sieg, un affluent du Rhin. La centrale est à 44 km de la confluence avec le Rhin, exploite une chute de 2,7 m avec 3 turbines Francis capable de faire transiter un débit total de 27 m3/s. L'accès à chaque turbine est protégée d'un rack de grilles à angle de 27° et à entrefer de 10 mm.

Voici le résumé de leur recherche :

"Nous avons examiné la mortalité, les voies de migration et le comportement de l'anguille argentée dans une centrale électrique en Allemagne, après la reconstruction de la centrale, afin de réduire la mortalité des poissons en migration vers l'aval. 

Sur 270 anguilles implantées avec des émetteurs radio et relâchées en amont de la centrale, 222 anguilles ont traversé la centrale, principalement en octobre et novembre, bien que certaines soient descendues en hiver et au printemps. La plupart des anguilles ont suivi le flux principal et sont passées au niveau de l’évacuateur de crue (59% et 49% au cours des deux années d’étude) ou ont suivi la route menant au plan de grilles situées devant les turbines (24% et 27%), où elles ont été guidées vers une voie échappant des turbines via le canal de vidange. Certaines anguilles utilisaient une passe à fentes verticales (12% et 8%), tandis que peu utilisaient une passe à poissons de type naturelle, une passe à canoë ou des passages sur-mesure pour anguilles. 

Les anguilles ont montré une grande variation individuelle dans le calendrier de migration, les vitesses de migration et le choix du contournement. Aucune anguille n'a été tuée dans les turbines, puisqu'aucune d'elles ne l'a traversée, probablement en raison de l'espacement étroit des barreaux (10 mm). Les résultats ont montré que la mortalité des centrales de passage d’anguilles peut être faible (0-4% et 0-8% au cours des deux années de l’étude) lorsque l’admission vers la turbine est protéger de grilles empêchant les anguilles de pénétrer et que des voies de dérivation sûres sont disponibles. Les estimations de la mortalité sont présentées sous forme d'intervalles, car il n'a pas été possible de déterminer le sort de 4% et 8% des individus. La mortalité potentielle aurait pu être liée à des blessures sur les voies de contournement ou à un risque accru de prédation, mais rien n'indique que des blessures ont été causées dans ces voies de contournement."

Discussion
La réduction de mortalité des poissons en dévalaison est un but logique pour tous les producteurs d'hydro-électricité, qui doivent viser à réduire les impacts accidentels et non désirés de leur production d'énergie bas carbone. D'autres sources d'énergie sont d'ailleurs confrontées à ce problème, comme la mortalité des oiseaux, chauve-souris et insectes dans les fermes éoliennes.

L'étude de Finn Økland et de ses collègues apporte l'intéressante démonstration que l'on peut obtenir une mortalité nulle. Elle montre aussi que certain dispositifs coûteux (passes dédiées) ne sont pas toujours utilisés par le poisson (autre exemple chez Newton et al 2017). Toutefois, l'espace de 10 mm entre les barreaux des grilles de protection est généralement considéré comme peu viable, pour plusieurs raisons: coût d'installation et de dégrillage (plus les grilles sont fines, plus elles sont obstruées) surtout en sites de régions très boisées (forte charge flottante de feuilles et branches), perte de productible ne permettant pas de compenser sur le revenu énergétique (aux tarifs français de rachat de l'électricité, qui ne sont probablement pas les tarifs allemands). Par ailleurs, une mortalité nulle avec une grille à entrefer de 10 mm ne dit rien de la mortalité avec des grilles à barreaux plus espacés.

Nous manquons à ce jour d'expériences plus élémentaires et de consensus sur les résultats pour caractériser le problème :

• analyses en conditions les plus naturelles possibles (pas des animaux d'élevage projetés depuis une barrique devant les turbines...), mesure au long cours par caméra du nombre d'animaux passant dans la turbine plutôt que par exutoire ou déversoir (comme on le fait pour les suivis de passes à poissons),
• suivi radiotélémétriques de migrateurs (anguilles, saumons ou autres) pour définir le taux  d'animaux passant dans la turbine ou choisissant les voies libres, cela à différentes conditions (sans grilles, grilles à entrefer allant de 100 à 10 mm), avec analyse des arrêts d'émission (mortalités par causes naturelles ou provoquées pour turbine),
• comparaison de résultats dans des conditions réalistes pour les différents types de cours d'eau, d'installations (hauteur de chute, débit, vitesse, pression...) et pour les différents types de dispositif (roue, vis, turbines Kaplan, Francis, Pelton, Banki-Mitchell). 

Divers producteurs ayant installé des processus de comptage en petite hydro-électricité nous ont fait état de mortalité nulle même avec grilles larges, avec évitement complet du passage usinier quand le débit d'entraînement est assez lent pour permettre de choisir d'autres chemins. Ils souhaitent que l'Office français de la biodiversité définissent des protocoles d'étude, d'autant que la recherche a montré un potentiel de près de 25 000 moulins équipables en hydro-électricité (voir Punys et al 2019) et que la loi française comme les directives européennes soutiennent le développement de cette petite hydro-électricité.

Un ingénieur avait produit une analyse des formules semi-empiriques de mortalité d'anguilles (Rick 2016), montrant que les mortalités sont en rapport croissant avec la hauteur et la vitesse, mais décroissant avec le débit. Certaines modélisations produites par les services administratifs sur des bassins versants se fondent sur des choix de formule contestables (voir critique de Briand et al 2015).

Ces points ne pourront donc être éclaircis que si les établissements publics (OFB), les syndicats de producteurs et d'autoconsommateurs se mettent d'accord sur des études portant sur un assez grand nombre de sites, définissant un ratio mortalité-coût-productible acceptable et s'engageant à en respecter les conclusions. Nous n'y sommes pas pour le moment.

Référence : Økland F et al (2019), Mortality of downstream migrating European eel at power stations can be low when turbine mortality is eliminated by protection measures and safe bypass routes are available, Hydrobiology, 3-4, 68-79

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Mortalité quasi-nulle de jeunes saumons dans des turbines hydro-électriques (Tomanova et al 2018)

Mortalité quasi-nulle de jeunes saumons dans des turbines hydro-électriques (Tomanova et al 2018)

Une étude montre que la mortalité des jeunes saumons par turbine hydro-électrique n'est pas une fatalité : elle est réduite à des taux nuls à très faibles (ente 0 et 1,8%) dans les sites protégés par des grilles fines, l'essentiel des poissons passant par les exutoires de libre dévalaison. Cette estimation est conservatrice dans la méthodologie utilisée, donc la mortalité accidentelle peut être considérée comme quasi-réduite à néant. C'est une bonne nouvelle pour les objectifs carbone de notre pays, une recherche récente ayant montré qu'au moins 25 000 sites de moulins et forges sont rapidement équipables, outre des étangs en lit mineur et de nombreux barrages d'usage non énergétique (navigation, irrigation, eau potable). 

La configuration de l'un des sites étudiés. Image extraite de Tomanova et al 2018.

Diminuer la mortalité liée au passage des poissons dans les turbines hydro-électriques est un souci déjà ancien. Les barrières physiques, comme les grilles bloquant le poisson avant la chambre d'eau ou la conduite forcée, et les barrières comportementales, comme des émetteurs de bruit ou d'ondes électriques, ont été testées, les premières donnant en général plus de résultats.

Sylvie Tomanova et ses collègues (AFB-IMFT-Université de Toulouse-CNRS, EDF R&D Hydro, Ecogea) ont étudié quatre sites de production hydro-électrique dotés de grilles fines : Auterrive (Gave d'Oloron, 9,5 m3/s), Trois-Villes (Saison, 4,1 m3/s), Gotein (Saison, 6,7 m3/s) et Halsou (Nive, 30 m3/s).

Voici la synthèse de leurs résultats :

"La restauration de la connectivité longitudinale des rivières est en train de devenir une priorité de la conservation dans les pays où le développement des centrales hydroélectriques est élevé. De nouvelles solutions de dévalaison pour le poisson sont en cours d'installation dans les centrales hydro-électriques (CHE) de petite et moyenne dimensions en France, et une évaluation précise de leur fonctionnalité est nécessaire. 

Nous avons abordé ici l’efficacité des systèmes de protection de la migration vers l'aval des jeunes saumons Atlantique dans quatre CHE (trois racks inclinés horizontalement à 26° et un à 15° par rapport à l'axe de flux dans l’alignement des rives, tous avec des barres espacées de 20 mm). Entre 239 et 300 saumoneaux d'élevage ont été marqués par transpondeur et relâchés en 5 à 6 groupes à 100 m en amont de chaque CHE étudiée. Leurs passages à travers les centrales ont été détectés avec une antenne d'identification par radiofréquence (RFID) dans les dérivations pour la migration en aval et en amont. 

En moyenne, entre 82,8% et 92,3% des smolts relâchés ont réussi à passer la CHE par l’un des deux itinéraires autres que les turbines. L'efficacité moyenne du passage en dérivation ainsi obtenue variait de 80,9 à 87,5% et tous les groupes de poissons atteignaient une efficacité de passage supérieure à 70%. À l'exception d'un site, 50% des saumoneaux ont traversé la voie de dérivation en moins de 23 minutes après leur libération et 75% d'entre eux en moins de 2 h 15 min. En combinant nos résultats avec les taux d'entraînement des poissons précédemment estimés dans le canal d'amenée et les taux de mortalité liés aux turbines, nous avons évalué la survie globale des poissons aux barrages / CHE étudiés, qui se situe entre 98,24% et près de 100%. Nos résultats confirment les critères de conception recommandés pour les racks inclinés et orientés et l'intérêt des dispositifs testés pour la protection des smolts en dévalaison."

Il faut noter que la survie des poissons sans système de protection serait déjà assez élevée selon le modèle des auteurs : 99,9% à Auterrive, 93,1% à Trois-Villes, 92,7% à Gotein et 86,4% à Halsou, comme le montre ce tableau de synthèse (cliquer pour agrandir).

Extrait de Tomanova et al 2018, art cit. 

Mais dans la perspective d'un équipement énergétique plus systématique des rivières, la mortalité cumulée peut devenir importante même si elle est modeste à chaque site. Parvenir à des mortalités quasi-nulles est donc un objectif souhaitable, et cela permettrait d'éliminer certaines objections couramment avancées sur les risques liés à l'équipement des ouvrages hydro-électriques.

Discussion
La méthode ici utilisée définit l’efficacité minimale des exutoires, en dehors de période de montée des eaux avec surverses sur le barrage (c'est souvent dans ces conditions de "coup d'eau" que le poisson dévale). L’efficacité nous paraît aussi minimale car l’hypothèse de travail est que les poissons non détectés sont passés par la turbine (en soi, il est possible qu'ils ne dévalent pas et restent dans le canal, qu'ils remontent dans le cours d’eau, qu'ils soient l’objet de prédation, etc.). Il est nécessaire de tester les efficacités d’autres configurations de grille et d’autres types d’exutoires, afin de recherche le meilleur coût économique tout en préservant la mortalité minimale. Le fait que sur certains sites, la présence ou l'absence de protection ne changent quasiment pas la mortalité (99,9% versus 99,98% de survie à Auterrive par exemple) doit inciter à poursuivre ces travaux d'analyse. Il serait en particulier nécessaire d'analyser des sites de petites puissances (5-50 kW) formant 95% du potentiel hydro-électrique français non encore utilisé, soit plus de 25 000 sites à équiper en première intention en France (Punys et al 2019).

Les turbines sont en général les dispositifs les plus efficaces pour produire de l'électricité dès qu'on dépasse 1,5 m de chute, même si les moulins, forges et petits sites choisissent parfois des systèmes moins impactants pour les poissons comme les roues, les vis d'Archimède ou les hydroliennes.  Etant à la fois favorables à l'équipement hydroélectrique du maximum de sites en rivières et à la protection des milieux aquatiques, nous ne pouvons que souhaiter le progrès dans ces prises d'eau ichtyocompatibles. Il y a bien sûr une limite à ces barrières physiques : plus les grilles sont fines, plus il y a de turbulence et de perte de charge, moins la centrale hydro-électrique produit. Le colmatage des grilles devient aussi trop difficile à gérer quand l'écartement se réduit à l'excès. Néanmoins, on doit pouvoir parvenir à des compromis sur chaque typologie de site. Il faut continuer ces travaux d'analyse, tester les comportements et les mortalités des poissons en situations réelles, définir des bonnes pratiques conciliant les rationalités économiques et écologiques.

Référence : Tomanova S et al (2018), Protecting efficiently sea-migrating salmon smolts from entering hydropower plant turbines with inclined or oriented low bar spacing racks, Ecological Engineering, 122, 143–152.

Franchissement piscicole des ouvrages hydrauliques: un cahier des charges trop complexe pour les petits sites

L'Agence française pour la biodiversité et les Agences de l'eau viennent de publier une trame de cahier des charges pour accompagner collectivités et hydroélectriciens dans leur projet de mise en conformité d’un site classé en liste 2 au titre de la continuité écologique. Quelques commentaires sur la complexité des demandes en rapport aux capacités et aux impacts des projets de relance des moulins et autres ouvrages très modestes.

Ce guide venant de paraître est consacré à la définition des équipements de franchissabilité en montaison et dévalaison (passes à poissons, rivières de contournement, grilles) pour les propriétaires ayant un projet hydro-électrique. Il rassemble les éléments que l'administration estime nécessaires: données administratives et réglementaires, connaissance des usages et caractéristiques techniques de l'ouvrage, données sur l'hydrologie et le fonctionnement hydraulique, évaluation des impacts de l'ouvrage sur la continuité écologique, diagnostic de la continuité biologique, diagnostic de la continuité sédimentaire, justifications techniques des choix de franchissabilité, etc.

Nous attirons l'attention sur le caractère trop complexe et donc décalé de ce guide par rapport aux réalités de la très petite hydro-électricité des moulins et anciennes usines à eau. Ce que des grands barragistes peuvent intégrer dans le cadre de projets industriels, ou ce que des constructions de nouveaux sites peuvent planifier dans le génie civil de l'ouvrage à bâtir, n'est pas à portée de projets de réhabilitation de sites anciens et modestes. La seule mobilisation d'un bureau d'études pour répondre à la totalité du cahier des charges proposé dans le guide représenterait pour ces petits sites l'équivalent d'une à cinq années de production – cela sans parler de la réalisation matérielle des passes, grilles, goulottes de dévalaison et autres besoins. Ce qui est manifestement disproportionné. Se pose donc la question du financement de ces demandes : la très haute exigence environnementale a du sens, mais elle ne peut se déployer sans un soutien public à hauteur du niveau d'ambition imposé.

Par ailleurs, la question de la mortalité des poissons sur les petites turbines n'a jamais été explorée de manière satisfaisante. L'administration se fonde sur des travaux anciens concernant  (là encore) les grosses unités de production. Nous souhaitons donc que l'Agence française pour la biodiversité mène des travaux sur des sites de production de 5 à 250 kW, avec un spectre représentatif de hauteur et débit, afin de modéliser plus finement la question. Notre association et plusieurs de ses consoeurs sont disposées à aider l'administration à trouver des sites pilotes volontaires pour répondre à ce besoin, en particulier chez les très petits producteurs de 5 à 50 kW. Il n'est pas possible de faire des prescriptions sur la base de simples présomptions, sans disposer au préalable d'étude scientifique et technique sur l'objet de ces prescriptions. Or à notre connaissance, le CSP, l'Onema puis l'AFB n'ont jamais publié le moindre travail de recherche sur le comportement d'approche, d'évitement ou de piégeage des poissons dans les très petits sites de production (moulins).

Enfin, sur le plan du droit, le guide a été conçu avant les évolutions récentes de la loi. On rappellera que le nouvel article L 214-18-1 Code de l'environnement exonère les moulins producteurs des obligations du II de l'article L 214-17 du même code, c'est-à-dire concrètement des contraintes de franchissement piscicole et sédimentaire. Les hauts fonctionnaires du ministère de la Transition écologique n'ont toujours pas produit une circulaire d'application de cette disposition, comme de plusieurs autres votées depuis un an.

Référence : Eléments techniques pour la rédaction d’un cahier des charges (CCTP) pour les équipements et dispositifs dédiés au franchissement piscicole (montaison & dévalaison) et/ou au transit sédimentaire (janvier 2017).

Illustration : une rivière de contournement au droit d'une chaussée de moulin sur le Cousin (Méluzien). Sans le financement Life+, Agence de l'eau et Parc du Morvan, ce projet aurait été hors de portée du maître d'ouvrage.

Mortalité en turbine: une modélisation discutable en Loire-Bretagne (Briand et al 2015)

Un travail a été mené sur le bassin de Loire-Bretagne pour estimer la mortalité totale des jeunes saumons (smolts) et des anguilles argentées due aux ouvrages hydro-électriques en activité sur les rivières. Les valeurs de mortalité obtenues vont de 2 à 27% des poissons produits sur le bassin. Nous exposons ici des réserves sur les formules utilisées pour le calcul de mortalité et sur l'absence d'intervalle de confiance dans les résultats du modèle. Minimiser la mortalité piscicole dans les ouvrages hydro-électriques est un vrai enjeu, en particulier si l'on souhaite le plein développement de cette source d'énergie dans les années à venir. Mais il faut au préalable améliorer les connaissances sur les mortalités réelles en conditions d'exploitation, particulièrement pour les petites puissances très peu étudiées à ce jour dans la littérature scientifique. Cette analyse par gradient de puissance est également nécessaire pour adapter les prescriptions réglementaires d'ichtyocompatibilité des installations. 

Une étude sur la mortalité des saumons et anguilles a été produite sur le bassin Loire-Bretagne, avec pour auteurs Cédric Briand (EPTB-Vilaine), Marion Legrand (Loire Grands Migrateurs), Pierre-Marie Chapon (Onema-INRA), Laurent Beaulaton (Onema-INRA), Gaëlle Germis (Bretagne Grands Migrateurs), Marie-Andrée Arago (Onema), Timothée Besse (Loire Grands Migrateurs), Laura De Canet (Loire Grands Migrateurs) et Pierre Steinbach (Onema). Il s'agit d'une modélisation à échelle de bassin versant.

Méthodes et résultats
L’effet des ouvrages hydro-électrique sur la mortalité en dévalaison a été simulé à l’aide d'un modèle de répartition des poissons (saumons en phase smolt, anguilles) et d'un modèle de mortalité en turbine, à l’échelle de Loire-Bretagne (155.000 km2 de rivières). Les productions de smolts ont été évaluées à 100 000, celles d'anguilles à 306.700 (fleuves côtiers de Bretagne), 314.900 (Loire) et 124.400 (fleuves côtiers  de Vendée). Les calculs de mortalité ont été appliqués à 387 des 749 ouvrages de la zone, soit 578 turbines.

Chez les smolts, les taux moyens de mortalité dans les turbines ont été calculé à 17% dans les Kaplan, 20% dans les Francis et une mortalité moyenne de 20% appliquée aux turbines de caractéristique inconnue (43%). Chez les anguilles, les mortalités moyennes dans les turbines ont été établies à 45.8%, 88.5% et 70.8% dans les turbines Kaplan, Francis et indéterminées respectivement.

Pour les saumons, les mortalités sont évaluées à N=26.872 (soit 27%) de la production de smolts en Loire, et N=1 636 (soit 2%) en Bretagne. Pour l’anguille, les mortalités sont évaluées à N=9831 (soit 3.1%) de la production d’anguilles argentées en Loire, N=9418 (soit 3.3%) en Bretagne et N=2687 (soit 2.2%) en Vendée.

Nos observations : un modèle de mortalité perfectible avec une absence peu crédible de marge d'erreur
Notre principale réserve est que le modèle ne produit aucun intervalle de confiance. Par définition, le modèle de production des saumons et anguilles a des incertitudes, celui de mortalité en turbine également. On s'attend donc à trouver une expression de cette incertitude croisée sous la forme d'une marge d'erreur dans les résultats ou, ce qui revient au même, une fourchette à 95% d'intervalle de confiance. C'est la norme en modélisation et cela permet de juger d'un coup d'oeil la robustesse des calculs : il est tout à fait normal d'avoir des incertitudes dans un modèle, mais il est en revanche anormal de ne pas produire une estimation de ces incertitudes. En particulier quand le travail de modélisation possède une visée applicative à destination du décideur.

Si l'on s'en tient à la modélisation de mortalité en turbine (nous n'avons pas examiné le volet piscicole), une raison pour laquelle on ne trouve pas de marge d'erreur est que les formules employées (équations 2.5 à 2.9) sont déterministes, c'est-à-dire qu'elles sont censées donner un résultat exact une fois les paramètres renseignés (et donc un résultat constant à paramètres identiques). Or, ces équations posent divers problèmes :

• l'équation de mortalité des smolts en Kaplan ne fait pas intervenir la hauteur ni le débit ni la vitesse de la roue (simplement des paramètres constructif comme le diamètre ou le nombre de pales) ;
• les travaux sur lesquels reposent ces équations – Larinier et Dartiguelongue 1989, Larinier et Travade 2002  – se fondent sur des échantillons assez faibles de turbines, les auteurs reconnaissant en particulier que les sites de petite puissance sont trop peu représentés. Or l'examen de l'annexe J montre que beaucoup d'ouvrages de la zone ont moins de 5 m de hauteur et/ou moins de 10 m3/s de débit d'équipement ;
• l'équation utilise une transformation angulaire (arcinus) pour normaliser les réponses en pourcentages, mais cette solution peut biaiser les valeurs faibles ou fortes de la distribution qu'elle "étire" (ce qu'observent Larinier et Travade 2002) ;
• cette même équation est dépendante de la taille du smolt qui a été fixée dans l'étude soit à 15 soit à 18 cm (alors que cette taille varie plutôt in vivo de 10 à 20 cm) ;
• les travaux cités montrent que les estimations par régression linéaire manquent une partie de la variabilité des mortalités observées (par exemple, R allant de 0.59 à 0.87 chez Larinier et Travade 2002, la première valeur étant celle des jeunes salmonidés en Kaplan, soit le cas le plus fréquent dans le travail ici analysé). 

Avant ces incertitudes liées au calcul de mortalité pour le poisson déjà engagé dans la turbine se pose la question de la répartition des poissons à l'approche des centrales – c'est-à-dire la question du comportement réel des espèces. La formule retenue sur ce point (équations 2.13 et 2.14) est celle d'une mortalité en dévalaison au pro rata du débit turbiné par rapport au débit classé, sans hypothèse particulière sur l'évitement des ouvrages hydro-électriques (du fait de grille, de vibration, de débit d'attrait ou de tout autre facteur d'influence du comportement du poisson in situ). Là encore, on peut tout à fait admettre des simplifications dans un modèle, mais il est plus difficile d'admettre une approche déterministe ne donnant aucune estimation de sa marge d'erreur ou aucune confrontation de ses choix avec des données empiriques de validation.

Améliorer la modélisation par des études in situ sur les petites puissances
Le travail mené par Cédric Briand et ses collègues est une approche intéressante, mais elle manque quelque peu de réalisme… malgré des résultats de mortalité produits à l'unité près. Nous ne partageons donc pas la conclusion selon laquelle "les résultats sont jugés comme suffisamment robustes pour permettre une priorisation des actions au niveau du bassin Loire Bretagne". Comme ce travail est prévu pour être évolutif, nous ne pouvons que souhaiter une amélioration de ses paramétrisations.

Rappelons que sur certains sites de petite puissance (moins de 500 kW), il serait possible de faire des estimations réalistes de mortalité à filet filtrant posé en sortie de turbine, cela en condition réelle d'exploitation de la centrale et de circulation du poisson. A plusieurs reprises lors de concertations passées, il a été souhaité que l'Onema mène des études sur un échantillon conséquent de moulins et usines de petite puissance, afin de produire ces analyses réalistes de mortalité dont il est reconnu qu'elles manquent dans la littérature scientifique. A notre connaissance, aussi bien les syndicats de producteurs (FHE, EAF) que les fédérations de moulins (FFAM, FDMF) seraient disposés à aider au recrutement de sites volontaires pour des tests.

Tant que ce travail ne sera pas mené selon un protocole accepté par les parties, les calculs n'approcheront que pauvrement la réalité sur certaines situations. Notons que cette réserve est parfaitement neutre sur le résultat de telles études par rapport aux calculs de Briand et al 2015 (sous-estimation ou sur-estimation de la mortalité effective en turbine). Mais l'ignorance n'est pas la solution, et comme le souhaitaient M. Larinier et ses collègues, seules des études plus approfondies pourront améliorer le réalisme des modèles.

Référence
Briand C et al (2015), Mortalité cumulée des saumons et des anguilles dans les turbines du bassin Loire-Bretagne, version 0.3.1, 260 p.

Illustrations : en haut, exemple de résultat du modèle de Briand et al. 2015, mortalité des smolts dévalant en Bretagne ; en bas, modèle de filet filtrant pour étude de mortalité in situ. Le protocole le plus réaliste nous paraît l'analyse des mortalités effectives en période migratoire des espèces d'intérêt, sans contrainte sur le poisson (pas d'injection forcée en distributeur), ce qui permet notamment d'évaluer les comportements spontanés d'évitement.

Voir aussi sur Hydrauxois : Mortalité des poissons en turbine, une analyse critique

Mortalité des poissons en turbine, une analyse critique

Andreas Rick (ingénieur) nous a fait parvenir une intéressante étude critique sur la mortalité des anguilles en turbine telle qu'elle est aujourd'hui considérée par les services instructeurs de l'Onema. Son analyse met notamment en lumière la faible robustesse (voir non significativité) statistique de certains modèles de mortalité présentés comme références. Elle souligne aussi que ces études concernent des sites de puissances importantes, sans commune mesure avec les équipements modestes des moulins. Ce dernier point est un travers fréquent des travaux menés sur l'hydraulique en lien avec l'environnement, travaux qui ont souvent été réalisés sur des grands sites dont l'hydraulicité n'est pas représentative de la problématique des seuils, chaussées et glacis.

A lire : Rick A (2015), Mortalité des anguilles dans les turbines : les conclusions de l’Onema sont-elles robustes et applicables aux moulins ? (pdf)