Experimental study of the influence of macro-roughnesses on vertical slot fishway flows

Étude expérimentale de l'influence des macro-rugosités sur les écoulements dans les passes à poissons à fentes verticales

Institut Pprime ; CNRS - Université de Poitiers - ISAE ENSMA Chasseneuil du Poitou, France,
aurelien.ballu@univ-poitiers.fr, damien.calluaud@univ-poitiers.fr, gerard.pineau@univ-poitiers.fr, laurent.david@univ-poitiers.fr

Abstract

The European Water Framework Directive (2000) has aimed to restore the ecological continuity of the river streams. One of its main objectives is to ensure the free circulation of aquatic species. In practice, many obstacles can be found across rivers that hinder this movement. Fish passage facilities (like vertical slot fishways, VSFs) are required to help fish to cross permanent obstructions and thus allowing their natural migration.To improve the fish passage of specific species, macro-roughnesses are often arranged on the bottom of each VSF pool to assist some species which move close to the bottom. However, the presence of macro-roughnesses is not yet taken into account during the VSF design. This paper presents results of experimental studies on the influence of evenly distributed macro-roughnesses on the discharge coefficient and on the flow topology in a VSF. By water depth and flow velocities measurement, the influence of macro-roughnesses on the flow features is highlighted. These experiments were carried out for two block densities and for a wide range of channel slopes, pool widths and flow discharges. Thus, discharge coefficient maps and flow topologies were produced. Moreover, a sensitivity analysis of the design parameters on the discharge coefficient and topology were performed. The results presented herein may be used to define a predictive law that would help engineers ensure the greatest effectiveness of VSFs with the presence of macro-roughnesses.

Résumé

La Directive Cadre Européenne d'Octobre 2000 a pour but de rétablir la continuité écologique des cours d'eau. Un de ses objectifs principaux est d'assurer la libre circulation des espèces aquatiques. En pratique, de nombreux obstacles jalonnent les rivières et des dispositifs tels que des passes à poissons à fentes verticales (VSF, de l'anglais vertical slot fishway) sont alors utilisés pour aider les poissons à franchir les barrages et ainsi leur permettre de réaliser leur cycle naturel de migration. Pour améliorer le franchissement, notamment des petites espèces ou des espèces benthiques, des macro-rugosités sont souvent disposées dans le fond des bassins des VSF. Cependant, leur présence n'est pas encore prise en compte lors de la phase de conception des VSF. Néanmoins, elles génèrent des perturbations dans l'écoulement et une augmentation des pertes de charge. Il peut alors exister un écart entre l'écoulement prédit lors de la conception et celui obtenu réellement dans la passe à poissons, ce qui peut impacter l'efficacité biologique de l'ouvrage. Cet article présente les résultats d'une étude expérimentale de l'influence sur l'écoulement de l'ajout de macro-rugosités uniformément réparties dans une passe à poissons à fentes verticales. A partir de mesures de hauteurs d'eau effectuées à l'aide de sondes acoustiques et de mesures de vitesses d'écoulement à l'aide d'un vélocimètre acoustique à effet Doppler (ADV), l'influence des macro-rugosités sur les caractéristiques de l'écoulement a été mis en évidence. Ces mesures ont été acquises pour deux densités de macro-rugosités et pour une large gamme de pentes de canal, de largeurs de bassins et de débits. Ainsi, des cartographies des coefficients de débits et des topologies d'écoulement ont été réalisées. De plus, une analyse de la sensibilité aux paramètres de conception du coefficient de débit et de la topologie a été menée. Finalement, les résultats pourront être utilisés pour établir une loi de prédiction qui pourra aider les ingénieurs en charge de la conception à prendre en compte la présence de macro-rugosités dans les passes à poissons à fentes verticales.