Un simulateur pour déchiffrer le comportement des glaces

Jean-François Venne
Collaboration spéciale
Une étude effectuée en 2018 prédit que les coûts annuels résultant d’inondations provoquées par des embâcles pourraient croître en moyenne de 30% en raison des changements climatiques.
Photo: Guillaume Levasseur Archives Le Devoir Une étude effectuée en 2018 prédit que les coûts annuels résultant d’inondations provoquées par des embâcles pourraient croître en moyenne de 30% en raison des changements climatiques.

Ce texte fait partie du cahier spécial Génie québécois

Chaque année, des embâcles causent des inondations au Québec, avec des conséquences parfois dramatiques pour les riverains. Grâce à un tout nouveau simulateur, des chercheurs de Polytechnique Montréal améliorent notre capacité à prédire et à prévenir ces catastrophes naturelles.

Au Québec, les inondations entraînent des coûts moyens annuels évalués entre 10 et 15 millions de dollars. Or, près de 60 % de ces événements proviennent d’embâcles de glace ou de frasil (des cristaux ou fragments de glace qui flottent à la surface de l’eau). Les embâcles se forment au printemps, et plus rarement en hiver, lorsqu’un fort redoux cause des ruptures dans la surface glacée. Les morceaux se détachent et dérivent sur les cours d’eau jusqu’à ce qu’ils se heurtent à un obstacle. Les fragments de glace s’accumulent alors et créent un barrage, qui empêche l’eau de s’écouler. Le niveau d’eau en amont augmente et la rivière finit par sortir de son lit et inonder les berges.

En plus de causer des dommages matériels, ces événements peuvent aussi coûter des vies. Et la situation pourrait même empirer. Une étude effectuée en 2018 sur sept rivières du Québec par des chercheurs de l’Université Laval prédit que les coûts annuels résultant d’inondations provoquées par des embâcles pourraient croître en moyenne de 30 % en raison des changements climatiques.

Mouvements des glaces

 

Plusieurs municipalités tentent de se protéger de ces catastrophes en retirant des cours d’eau des obstacles naturels ou artificiels qui peuvent bloquer la circulation des morceaux de glace. D’autres construisent des barrages-estacades pour garder la glace et le frasil loin des municipalités, ajoutent des filets pour retenir les glaces sans arrêter l’eau ou envoient des pelles mécaniques casser la glace près de certaines structures. Cependant, il n’est pas toujours facile de savoir quelles solutions conviennent le mieux ou à quel endroit intervenir pour obtenir un résultat optimal.

Ahmad Shakibaeinia, professeur agrégé au Département des génies civil, géologique et des mines de Polytechnique Montréal, travaille à résoudre ces équations. Son laboratoire est équipé d’un simulateur de comportement des glaces unique au pays. « Notre équipe étudie la dynamique des glaces et surtout les embâcles, explique-t-il. Nous voulons améliorer nos capacités pour découvrir les endroits où il y a des risques d’embâcle et prédire l’évolution de ces obstructions. »

Un simulateur unique

 

L’équipe mise bien sûr sur des simulations numériques. Mais pour bien calibrer ces modèles numériques, les chercheurs ont besoin de données expérimentales. « Nous devons recréer à plus petite échelle des situations semblables à celles vécues sur les cours d’eau, afin de générer des données sur plusieurs facteurs comme la température, la manière dont les glaces se brisent, leurs mouvements ou encore l’efficacité de structures utilisées pour contrôler ces déplacements », résume le professeur.

Ce simulateur prend la forme d’une chambre froide d’environ trois mètres de large par cinq mètres de long, dans laquelle la température peut descendre jusqu’à -23 degrés Celsius. On y retrouve un canal de circulation fait d’acier et de polymère transparent. Grâce à un système de caméras à haute vitesse, l’équipe de chercheurs peut suivre le déplacement sur l’eau de chaque fragment de glace, voir quelle proportion des morceaux est retenue par une structure, la force que la glace applique sur les structures, entre autres.

D’autres instruments prennent des mesures supplémentaires, par exemple au sujet du volume d’eau qui s’écoule. Les chercheurs peuvent donc déterminer des éléments importants comme la distance optimale des piliers d’une structure de contrôle des glaces, tel un barrage-estacade, ou encore le bon débit d’eau pour contenir un embâcle.

Travail d’équipe

L’utilisation du simulateur s’est toutefois elle-même heurtée à un obstacle bien différent des embâcles de glace : la COVID-19. En effet, la construction de cet équipement s’est terminée au début de 2020, tout juste avant l’arrivée de la pandémie au Québec. Le laboratoire a par la suite été fermé pendant plusieurs mois. Ce n’est que tout récemment que les chercheurs ont pu commencer à mettre leur appareil à l’épreuve.

L’équipe d’Ahmad Shakibaeinia collabore maintenant à un projet de recherche sur l’efficacité des structures de contrôle des embâcles avec des collègues de l’Université Laval et le ministère de la Sécurité publique. « Notre travail sert à calibrer et à valider des modèles numériques qu’utiliseront les chercheurs de l’Université Laval qui, eux, les appliqueront à des situations réelles », explique le professeur de Polytechnique.

À voir en vidéo