Écluse

La porte à flots ; une écluse rudimentaire (Ici sur l'Aure à Isigny-sur-Mer, Normandie, France)

Écluse François I^er, port du Havre, Seine-Maritime

Écluse du pont mobile de Bizerte, Tunisie

Écluse de Grave, Pays-Bas

Modèle réduit d'écluse avec « portes à relevage »

Écluse de bois avec « portes busquées », sur petit canal

Péniche dans le sas de l'écluse de l'Aiguille, canal du Midi

Camden Lock, une double écluse sur le Regent's Canal à Camden Town (Grand Londres, Royaume-Uni)

Kleve-Wardhausen, Allemagne

Une écluse est un ouvrage d'art hydraulique implanté dans un canal ou un cours d'eau pour le rendre navigable et permettre aux bateaux de franchir des dénivellations. Certains barrages à pertuis ou écluses visaient aussi à protéger un cours d'eau ou une ville des effets de la marée (qui sur l'Escaut par exemple se faisaient autrefois sentir jusqu'à Gand). L'écluse comprend un sas dans lequel on peut faire varier le niveau de l'eau. Il est isolé des biefs amont et aval par des portes (autrefois portes de bois de chêne munies de vannes dites « ventelles »).

Les composants d'une écluse contemporaine

Les principaux éléments architecturaux d'une écluse moderne en sont :

• Deux plateaux (rive droite et rive gauche) munis d'organes d'amarrage (bollards).
• Deux bajoyers (rive droite, rive gauche) éventuellement équipés de bollards flottants.
• Le radier qui constitue le fond de l'écluse.
• Deux portes (amont et aval), les portes et les bajoyers encadrant le sas.
• Les aqueducs ou tambours ou encore tunnels de fuite (pour vidanger ou remplir l'écluse).
• Les infrastructures annexes et systèmes liés au fonctionnement de l'écluse (électricité, éclairage, local de contrôle et commande, télécommunication ; cric de ventelle et de porte sur une écluse manuelle).
• Si l'écluse est sur une rivière navigable, elle est accouplée à un barrage mobile à aiguilles ou barrage mobile à battant, ce barrage pouvant être équipé d'une centrale hydroélectrique.

Sur cette photo un barrage sépare un lac de son canal de décharge, une porte (écluse simple) y est aménagée pour le passage des bateaux- l'ajout d'une deuxième porte aurait permis de créer un sas d'écluse.

Histoire

Du Moyen Âge jusqu'à la Renaissance, le mot « écluse » désigne un vannage simple (latin Aqua exclusa : eau séparée, du latin classique excludere : séparer, fermer le passage à quelque chose - qui a donné le verbe français exclure). Le mot apparaît en français sous la forme « escluse » au XI^e siècle.

S'il s'agit d'un ouvrage de navigation, cela est alors précisé « écluse de navigation », c’est-à-dire en fait un pertuis. C'est en rapprochant progressivement deux pertuis encadrant un bassin qui deviendra le sas que l'on évoluera vers l'écluse, par l'étape intermédiaire du bassin à portes marinières. Ceci se passe pendant les XV^e et XVI^e siècles. Ce peut être l'œuvre empirique de meuniers futés cherchant un moyen d'économiser l'eau perdue à chaque passage de bateau dans une porte marinière (un pertuis) simple.

Origine en Chine

Une première écluse à sas est citée en Chine, en 984, où Ch'iao Wei Yo avait créé sur le Grand Canal, à la place d'un plan incliné de 75 m de long, un sas fermé de deux portes mobiles.

Certains auteurs donnent la première application en Europe d'une écluse à sas, avec doubles portes en bois non busquées, à Spaarndam, aux Pays-Bas, en 1285, construite à l'initiative de Florent V de Hollande.

Écluses à sas à portes busquées en Italie

Contrairement à une idée largement répandue, Léonard de Vinci n'est pas l'inventeur de l'écluse à sas même s'il a beaucoup travaillé sur la question et a même conçu des canaux. Le principe du sas à niveau variable existait avant lui, de même que vraisemblablement celui des portes dites « busquées » qui forment un angle pointé vers l'amont de manière à résister à la pression de l'eau selon un principe proche de celui de la voûte, mais appliqué à l'horizontale. On est passé graduellement du pertuis archaïque, dangereux et très consommateur d'eau, à l'écluse « moderne » par l'étape intermédiaire du bassin à portes marinières ou « paléo-écluse » qui consiste en un vaste bassin servant de sas, encadré en amont et en aval par des pertuis. Léonard de Vinci a vraisemblablement mis la touche finale à cet ouvrage en préconisant la forme rectangulaire que nous lui connaissons généralement.

Les noms de nombreux ingénieurs de la Renaissance, surtout italiens, sont associés à cette invention progressive de l'écluse à sas : Bertolo da Silva, Fiorivantiti da Bolognese, et bien sûr Léonard de Vinci qui, s'il n'a pas inventé l'écluse au sens propre, lui a mis sa touche finale en y apportant les derniers perfectionnements, comme un petit volet placé au bas de la porte qui permet un flux d'eau suffisant pour équilibrer la pression sur les deux vantaux et en faciliter l'ouverture, préfigurant les futures « vannes papillon ».

Développements

Les ingénieurs hollandais ne sont pas en reste non plus, mais leurs noms ne nous sont pas parvenus.

Par la suite, on ne cessera de perfectionner le système, mais le principe reste le même. On emploiera parfois, au lieu des portes busquées traditionnelles, des portes à guillotines ou des portes dites « secteur », ou encore des clapets plongeants.

Jusqu'à la fin du XIX^e siècle, la chute maximale des écluses ne dépasse guère 4 m, car le système de vannes plates ne fonctionne plus sous une pression trop forte. C'est l'invention de la vanne cylindrique par l'ingénieur Moraillon à la fin de ce XIX^e siècle qui va permettre la construction d'écluses de haute chute dépassant 5 m : sur un cylindre vertical, les pressions s'annulent, et l'on n'a aucun mal à lever une telle vanne.

Quelques records

En France, au gabarit Freycinet, les écluses de plus hautes chutes sont :

1. Écluse de Réchicourt-le-Château, sur le canal de la Marne au Rhin (dans le département de la Moselle), avec 15,70 m. ;
2. Crissey, sur le canal du Centre (au nord de Chalon/Saône), avec 10,50 m. ;
3. Les écluses amont de Chautagne et Belley, sur le haut Rhône, avec 10 m chacune ;
4. Flandres, sur le canal Saint-Denis (à côté de la cité de la Villette à Paris), avec 9,80 m. ;
5. Bourg-le-Comte, sur le Canal de Roanne à Digoin, avec 7,19 m. ;
6. Bayard, sur le canal du Midi (devant la Gare Matabiau à Toulouse) et Béziers (juste après le pont-canal), avec 6,20 m. ;
7. Artaix et Chassenard, encore sur le Canal de Roanne à Digoin, avec 6 m. chacune ;
8. Laroche et Germigny, sur le canal de Bourgogne, avec 5,50 m. chacune ;
9. Saverne sur le canal de la Marne au Rhin, avec 5,43 m. ;
10. Heuilley-Cotton sur le canal de la Marne à la Saône avec 5,23 m. ;
11. Plusieurs écluses du canal du Centre, avec 5,20 m., et plusieurs du canal de Briare, avec 5 m. ;
12. La récemment réhabilitée (20 septembre 2007) écluse de descente en Loire d'Orléans, au bout du canal d'Orléans, avec une chute variable selon le niveau de la Loire, mais supérieure à 5 m.

Sur le canal du Midi à Béziers, l'écluse octuple de Fonserannes permet le franchissement d'un dénivelé de 21,50 mètres sur 300 mètres de long, mais son sas inférieur est hors-service, et on entre directement dans son 2^e sas qui est en niveau haut constant (il n'est que le prolongement du bief du pont-canal de Béziers). C'est-à-dire qu'aujourd'hui cet ouvrage ne rattrape plus qu'une chute de l'ordre de 16 m.

Sur le canal de Briare, le modèle de Fonserannes, l'écluse septuple de Rogny, rattrapait une chute de 24 mètres sur un peu plus de 220 mètres de longueur.

En grand gabarit, les plus hautes écluses de France se trouvent sur le Rhône, la plus haute étant Saint-Pierre (Bollène) avec 23 m. À sa mise en service (1953), elle était la plus haute du monde. Citons également l'écluse d'Arques, sur le Canal de Neufossé (dans le département du Pas-de-Calais), avec plus de 13 mètres de dénivelé, qui remplace l'ascenseur à bateaux des Fontinettes.

En gabarit inférieur à Freycinet, on peut citer deux écluses récentes sur le Lot : Castelmoron (10 m.) et Villeneuve (13 m.).

Dans le monde, les plus hautes écluses sont celle d'Öskemen au Kazakhstan, avec 42 mètres de hauteur et l'écluse amont de l'échelle d'écluses du barrage des Trois-Gorges, avec une hauteur similaire. On notera également l'écluse de Zaporoje, sur le Dniepr, qui atteint 37 mètres, et celle de Carapatello, sur le Douro, qui atteint 34 mètres.

En revanche, en France, les écluses de plus faible chute se trouvent dans le Marais Poitevin où certaines ne dépassent guère 20 cm., et sur le canal de l'Ourcq, où elle tournent autour de 50 cm.

Technique

Les écluses sont des équipements qui doivent être régulièrement entretenus.
On voit ici le grand bief de l'écluse n^o 5 du Canal Saint-Denis, pendant son chômage de l'hiver 2008-2009

Dans le cas des fleuves ou rivières navigables, les écluses sont implantées au droit d'un barrage qui crée un plan d'eau en amont. L'ensemble s'appelle un « barrage éclusé ». On en trouve couramment sur la Seine, l'Yonne, la Marne, l'Oise, le Cher, le Lot, le Tarn, la Mayenne, la Sarthe, la Seille, etc.

Le franchissement d'une écluse est une opération dont la durée varie avec la conception de l'ouvrage, et pas seulement en fonction de sa hauteur ou de son volume d'eau nécessaire (la « bassinée »). Il faut équilibrer les niveaux d'eau avec un bief puis avec l'autre, en transférant à chaque fois une masse d'eau du bief amont vers le bief aval, correspondant au volume de la bassinée (soit un parallélépipède rectangle (longueur du sas × largeur du sas × hauteur de chute). Cela suppose dans le cas d'un canal une alimentation en eau proportionnée à l'intensité de la navigation. La dénivellation franchissable par une écluse est limitée à 25 m environ. Au-delà il faut créer une série d'écluses en chaîne, ce qui complique encore le passage. On en connaît cependant qui dépassent les 30 m de chute : Carapatello sur le Douro au Portugal : 34 m, et Zaporoje sur le Dniepr : 37 m.

Système d'écluses « en escalier » à Caen Hill (Devizes), sur le canal Kennet-and-Avon, dans le sud de l'Angleterre. Il y a ici 16 écluses séparées par de très courts biefs pour permettre le croisement des bateaux.

On trouve également des écluses à l'entrée de certains ports soumis à la marée. L'écluse sert à garder une profondeur d'eau constante dans le bassin même à marée basse. Les horaires d'ouverture sont indiqués par rapport aux horaires de marée dans les instructions nautiques. Les jours de faibles coefficients, certains petits ports n'ouvrent pas l'écluse de la journée car, même à marée haute, le niveau d'eau à l'extérieur est trop faible pour la faire fonctionner correctement.

Située dans le port d'Anvers, en Belgique, l'écluse de Berendrecht est la plus grande de la planète : 500 mètres de long, 68 m de large et d'un peu moins de 14 m de profondeur. Avant elle, les écluses du port d'Anvers « Kruisschans », « Baudouin », « Zandvliet » furent successivement les plus grandes du monde.

En revanche, la plus petite (qui ne soit pas une maquette) est peut-être en France, dans le Marais Poitevin, à Maillé au lieu-dit l'Aqueduc. Elle mesure 7 m sur 3, et sa chute oscille entre 0 et 30 cm selon le niveau de la rivière sur laquelle elle se trouve, la Jeune Autize…

Évolution dans la construction

Écluse à porte à relevage (dites « à guillotine »)

Porte à relevage sur le « Plan incliné de Saint-Louis-Arzviller » en Lorraine

C’est la première écluse à sas connue à ce jour, c’est-à-dire une portion de canal fermé par deux portes, qui présente l’avantage de ne nécessiter qu’une petite quantité d’eau par rapport au pertuis. C’est en 983, qu’un ingénieur chinois du nom de Chhaio Wei-yo construisit le premier sas doté d'une porte à relevage à ses deux extrémités.

L’inconvénient était que ces portes plates n’étaient facilement manœuvrables que pour les hauteurs d’eau assez faibles à cause de la pression exercée sur elles.

En 1438, en Europe, deux ingénieurs italiens, Filippo Degli Organi et Fiorivanti di Bologna, créent la première écluse à sas sur le Naviglio Grande (via Arena), un des canaux de Milan.

Ce système est toujours utilisé, notamment pour les portes aval des écluses de haute chute comme sur le Rhône, ou celle de Crissey sur le canal du Centre ou sur les écluses du plan incliné de Saint-Louis-Arzviller. On les appelle aussi « portes à guillotine ».

Écluse à portes busquées et écluse à ventelles

Dessin de Léonard de Vinci (portes busquées et ventelles (Codice Atlantico. f. 240r.-c)

Pour pallier la pression exercée sur les portes, alors perpendiculaires au flux, en 1460 on inventa les portes dites busquées, c’est-à-dire que, une fois fermées, l’angle qu’elles forment s’oppose au flux de l’eau dont la pression assure la fermeture et l’étanchéité.

L'invention du système de manœuvre et des petits volets à verrou placés au bas des portes qui permettent le passage de l'eau du bief au sas ou inversement pour équilibrer la pression sur les deux battants ou vantaux, et en faciliter l’ouverture est attribuée à Léonard de Vinci (voir figure de droite : selon le Codice Atlantico, f. 240 r- c. de l'étude pour l’écluse de San Marco à Milan). Ces petits volets deviendront par la suite les ventelles (d'où le nom d'écluse à ventelles), c'est-à-dire des vannes coulissant verticalement. Un dessin de la main de Léonard (musée du Clos Lucé à Amboise) semble accréditer cette thèse.

En 1458, l'ingénieur du duc de Milan, Bertola da Novate, construit le canal de Bereguardo avec ces premières écluses modernes.

En France, cette invention fut mise en œuvre, pour la première fois semble-t-il, par un ingénieur italien dont le nom n'a pas été conservé (peut-être s'agit-il du même Bertola da Novate), sur l'Yèvre au début du XVI^e siècle. Il fut repris et amélioré dès 1605 par Hugues Cosnier, sur le canal de Briare (Hugues Cosnier fut aussi l'inventeur de l'écluse multiple). Hugues Cosnier substituera aussi aux ventelles dans les portes un système d'aqueducs dans les maçonneries, les « tambours », toujours obturés par des vannes, qui permettent un afflux d'eau plus important et mieux réparti. En revanche, cela coûte plus cher à la construction. Cosnier a vu ce système appliqué avec succès en Belgique.

Les portes busquées sont si efficaces qu'elles sont encore très courantes dans tous les canaux du monde, et notamment sur les canaux de France.

Écluse à portes pivotantes ou « portes secteur »

L’extrados des vantaux de ce type de porte est un secteur de cylindre dont l'axe coïncide avec l'axe de rotation, ce qui en équilibrant la pression de l'eau, permet leur manœuvre presque sans effort. C’est la même architecture que les battants des barrages mobiles à axe vertical. Ce système, qui semble avoir été expérimenté pour la première fois sur les pertuis des petits canaux de la haute Seine au XVIII^e siècle, se nomme « portes secteur ». C'est ce principe qui régit les portes du barrage de Maeslantkering en Hollande (Barrages mobiles à battant).

Diverses formes d’écluses

Écluses ovales

Les premières écluses concaves fabriquées en bois avaient une durée de vie assez limitée. En 1548, l'ingénieur italien Jacopo Barozzi da Vignola dit le Vignole, appelé pour améliorer la navigation sur les canaux de Bologne, remplaça ces écluses en bois par des écluses maçonnées en pierre de forme concave pour résister à la pression du terrain. Cette forme avait en plus l'avantage d'accueillir plusieurs embarcations.

Un siècle plus tard, cette disposition a été préconisée et appliquée notamment par Pierre-Paul Riquet pour son canal du Midi, et reprise à la fin du XVII^e siècle pour le Lez. À l'étranger, on trouve des écluses à sas ovale en Scandinavie, en Angleterre, en Espagne, en Italie…

Écluses rectangulaires

L’emploi du béton armé, offrant une meilleure résistance à la poussée du terrain, permet la construction d’écluses à parois parallèles. La mise en œuvre et l’entretien s’en trouvent simplifiés. Mais avant l'emploi du béton, la forme rectangulaire avait été adoptée pour la grande majorité des sas, et ce depuis Hugues Cosnier sur le canal de Briare, au cours de la première moitié du XVII^e siècle.

Écluse ronde d’Agde

Plan de l'écluse ronde d'Agde réalisé par Pierre-Paul Riquet

Construite par Pierre-Paul Riquet de 1679 à 1680, l'écluse ronde d'Agde est unique au monde : son sas a la particularité d’avoir trois portes et, par une simple rotation, permet au bateau de choisir entre trois directions (l’Hérault, le canal maritime ou le canal du Midi).

Dans les années 1970, les travaux de mise aux normes ont modifié l’aspect de l’ouvrage.

Écluse ronde des Lorrains

Cette autre écluse ronde appartient au canal latéral à la Loire. Elle est située à l'origine de l'embranchement d'Apremont-sur-Allier, qui sert de prise d'eau dans l'Allier pour alimenter le canal depuis le Guétin jusqu'à Briare. Elle a été construite de 1835 à 1841 et mesure 32 m de diamètre. En plus de son rôle alimentaire, elle servait autrefois d'entrée sur le réseau des canaux aux bateaux construits au Veurdre, un peu en amont sur l'Allier. Elle ne conserve de nos jours plus que son rôle alimentaire. Sa forme circulaire a été dictée par la nécessité d'orienter son entrée en rivière vers l'aval afin d'en éviter l'ensablement. Les bateaux effectuaient une rotation presque complète dans le sas, l'entrée et la sortie étant quasiment côte à côte.

Écluses bi-directionnelles à la sortie du canal de la Marne au Rhin à Strasbourg

D'autres systèmes

Pour franchir les dénivellations importantes, on a également conçu d'autres dispositifs :

• 

  Ascenseur funiculaire de Strépy-Thieu, Hainaut, Belgique

  les ascenseurs à bateaux. Par exemple, en Belgique, sur le canal du Centre, l'ascenseur de Strépy-Thieu, inauguré en 2002, permet de franchir une dénivellation de 73 m.
• la roue de Falkirk en Écosse, au Royaume-Uni, unique en son genre.
• les plans inclinés qui ont vu le jour en Angleterre dès la fin du XVIII^e siècle. Le bateau peut y être transporté soit à sec (Elbląg en Pologne, Krasnoïarsk en Russie), soit dans un bac plein d'eau (Ronquières en Belgique, plan incliné de Saint-Louis-Arzviller en France). Le plan incliné de Krasnoïarsk sur le Ienisseï est le plus haut avec une chute d'environ 100 m.
• les pentes d'eau dont on connaît seulement deux concrétisations : à Montech sur le Canal de Garonne (1975), et à Fontséranes sur le canal du Midi (1985).

Économie de l’eau

La principale ressource d’un canal est l’eau nécessaire à la navigation ; selon la saison ou le trafic, elle peut faire défaut, en particulier pour un canal à bief de partage comme le canal du Midi qui doit être suffisamment approvisionné en son point haut. Plusieurs solutions permettent de limiter la consommation d’eau.

Écluse multiple

Considérons une écluse multiple constituée de $n$ sas adjacents notés $E_{1}$ à $E_{n}$ (de l’amont vers l’aval) et ayant chacun la même surface S. Les cotes des radiers des sas sont décalées d’une hauteur $h$ l’une par rapport à la suivante. On dira qu’un sas est vide si la cote de son plan d’eau se trouve au niveau de flottaison, et qu’il est plein si cette cote est augmentée de $h$ (cote de déversement). Ainsi

• Un bateau peut entrer dans un sas vide depuis le sas aval voisin s’il est plein.
• Un bateau peut sortir d‘un sas plein vers le sas amont voisin s’il est vide.

Il y a deux états naturels pour la cascade d’écluses :

1. Après une procédure de montée, tous les sas sont pleins.
2. Après une procédure de descente, tous les sas sont vides,

Pour un bateau donné, on parlera de volume déplacé pour désigner le volume d’eau occupé par sa coque (poussée d'Archimède).

Partant d’un état où tous les sas sont vides, le passage d’un bateau montant dont le volume déplacé est $v_{m}$, puis d’un bateau descendant dont le volume déplacé est $v_{d}$ laisse les sas dans le même état (vides). Ce double passage implique une consommation d’eau de l’amont vers l’aval qui atteint

$nSh+v_{m}-v_{d}$

Procédure pour un bateau montant

• Situation initiale : tous les sas sont vides et le bateau est prêt à monter depuis le bief aval.
• Processus :

1. Remplissages successifs des sas $E_{1}$ à $E_{n-1}$ depuis le bief amont, le sas $E_{n}$ restant vide.
2. Entrée du bateau dans le sas $E_{n}$.
3. passages successifs dans les sas $E_{n-1}$ jusqu’à $E_{1}$.
4. Arrivée dans le bief amont après remplissage du sas $E_{1}$ à l’aide du bief amont.

• Situation finale : tous les sas sont pleins et le bateau se trouve dans le bief amont.
• Prélèvement depuis le bief amont : $nSh+v_{m}$
• Déversement dans le bief aval : $v_{m}$
• Différence entre prélèvement et déversement (remplissage de tous les sas) : $nSh$

Procédure pour un bateau descendant

• Situation initiale : tous les sas sont pleins et le bateau est prêt à descendre depuis le bief amont.
• Processus :

1. Entrée du bateau dans le sas $E_{1}$.
2. Passages successifs dans les sas $E_{2}$ à $E_{n}$.
3. Arrivée dans le bief aval après vidange du sas $E_{n}$.

• Situation finale : tous les sas sont vides et le bateau se trouve dans le bief aval.
• Prélèvement depuis le bief amont : $-v_{d}$
• Déversement dans le bief aval : $nSh-v_{d}$
• Différence entre déversement et prélèvement (vidange de tous les sas) : $nSh$

Partant d’un état où tous les sas sont vides, le passage de N bateaux montants dont le volume total déplacé est $V_{m}$, puis de M bateaux descendants dont le volume total déplacé est $V_{d}$ laisse les sas dans le même état (vides). Ce double passage implique une consommation d’eau de l’amont vers l’aval qui atteint

$(n+N+M-2)Sh+V_{m}-V_{d}$

Procédure pour N bateaux montants

• Situation initiale : tous les sas sont vides et les bateaux sont prêts à monter depuis le bief aval.
• Processus :

1. Remplissages successifs des sas $E_{1}$ à $E_{n-1}$ depuis le bief amont, le sas $E_{n}$ restant vide.
2. Entrée du 1er bateau dans le sas $E_{n}$.
3. Passage du 1er bateau dans le sas $E_{n-1}$ après l’avoir vidé dans $E_{n}$.
4. Vidange du sas $E_{n}$ dans le bief aval, puis entrée du 2ème bateau.
5. Passages successifs du 1er bateau dans les sas $E_{n-2}$ jusqu’à $E_{1}$, avec suivi progressif des autres bateaux ; chaque nouveau bateau entrant implique la vidange du sas $E_{n}$, mais il n’est pas nécessaire que les bateaux montants se suivent : le deuxième bateau peut entrer dans le sas $E_{n}$ n’importe quand à partir du moment où le premier l’a quitté et que $E_{n}$ ait été vidé dans le bief aval.
6. Arrivée du 1er bateau dans le bief amont, progressivement suivi de tous les autres ; chaque sortie d’un bateau implique le remplissage préalable de $E_{1}$ à l’aide du bief amont.

• Situation finale : tous les sas sont pleins et tous les bateaux se trouvent dans le bief amont.
• Prélèvement depuis le bief amont : $(n+N-1)Sh+V_{m}$
• Déversement dans le bief aval : $(N-1)Sh+V_{m}$
• Différence entre prélèvement et déversement (remplissage de tous les sas) : $nSh$

Procédure pour M bateaux descendants

• Situation initiale : tous les sas sont pleins et les bateaux sont prêts à descendre depuis le bief amont.
• Processus :

1. Entrée du 1er bateau dans le sas $E_{1}$.
2. Vidange du sas $E_{1}$ (avec déversement dans tous les sas aval), puis entrée du 1er bateau dans le sas $E_{2}$.
3. Remplissage du sas $E_{1}$ depuis le bief amont, puis entrée du 2ème bateau ; chaque nouveau bateau entrant dans le sas $E_{1}$ implique son remplissage préalable depuis le bief amont, mais il n’est pas nécessaire que les bateaux descendants se suivent : le deuxième bateau peut entrer dans $E_{1}$ n’importe quand à partir du moment où le premier l’a quitté et que $E_{1}$ ait été rempli depuis le bief amont.
4. Passages successifs du 1er bateau dans les sas jusqu’au sas $E_{n}$, avec suivi progressif des autres bateaux ; chaque bateau sortant du sas $E_{n}$ implique sa vidange dans le bief aval.

• Situation finale : tous les sas sont vides et tous les bateaux se trouvent dans le bief aval.
• Prélèvement depuis le bief amont : $(M-1)Sh-V_{d}$
• Déversement dans le bief aval : $(n+M-1)Sh-V_{d}$
• Différence entre déversement et prélèvement (vidange de tous les sas) : $nSh$

On remarquera que

• Le volume $(n+N+M-2)Sh$ passe à travers les ventelles ou les vannes, il est toujours positif et peut être qualifié de déversement technique.
• Le volume $V_{m}-V_{d}$ est progressivement transféré par les déplacements des bateaux par une porte ouverte, il peut être positif ou négatif et peut être qualifié de déversement utile.
• A ces deux volumes devrait encore s’ajouter un déversement dû aux pertes et aux fuites, selon l’état d’étanchéité des installations.

En dehors des aspects économiques (investissement, topographie du terrain et hauteur des portes), l’écluse multiple permet de réduire les déversements techniques dès qu’il est possible de faire passer plusieurs bateaux dans le même sens : bien que la somme des volumes des sas soit consommée lors du passage du premier bateau (comme une écluse unique), la consommation n’augmente que du volume d’un seul sas pour chaque bateau supplémentaire naviguant dans le même sens.

Bassins de récupération

Au lieu de multiplier les sas, il est possible de réduire la consommation d’eau (déversements techniques) en aménageant des bassins de récupération dans lesquels sont stockées, puis relâchées des tranches d’eaux du sas à diverses cotes.

En partant d’une décomposition imaginaire du sas en $n+2$ tranches horizontales de même épaisseur (avec $n\geq 1$), on construit $n$ bassins attenants dont les cotes et contenus correspondent exactement aux tranches fictives 2 à $n+1$ du sas.

Illustration schématique du mécanisme d’exploitation de 3 bassins de récupération d’eau.

Ainsi

• Lorsqu’un bateau descend, les tranches du sas sont successivement stockées dans les bassins qui se remplissent l’un après l’autre. Seules les 2 dernières tranches sont déversées en aval.
• Lorsqu’un bateau monte, on déverse dans le sas les eaux des bassins successifs au lieu de consommer l’eau du bief amont. Seules les 2 premières tranches doivent être remplies depuis l’amont.

Puisque chaque passage d’un bateau implique la consommation de 2 bassins, cette manière de procéder permet de réduire les déversements techniques d’un facteur ${\frac {n}{n+2}}$.

En dehors des considérations économiques et du temps des écoulements entre le sas et les bassins, il suffit d’augmenter suffisamment $n$ pour obtenir une économie d’eau aussi élevée que souhaitée.

Cette approche a été retenue pour le projet d’un troisième ensemble d’écluses sur le canal de Panamá : chaque sas comporte 3 bassins de récupération (soit un total de 18 bassins pour l’ensemble du projet), permettant alors d’économiser 60% de l’eau déversée .

Solution sans déversement technique

La Roue de Falkirk ou un ascenseur à bateaux (vertical ou sur un plan incliné) sont des mécanismes qui n’engendrent pas de déversement technique et dont le fonctionnement est indépendant du fait qu’il y ait ou non un bateau dans le sas. La mise en mouvement est assurée par des moteurs de puissance relativement faible qui fournissent l’énergie cinétique et compensent les frottements, une légère différence de poids des sas (ou d’un contrepoids), ainsi que le poids des câbles qui s’ajoute à la charge inférieure.

Solution par pompage

Pour compenser les déversements, certaines installations disposent de pompes qui prélèvent l’eau du bief inférieur pour la refouler dans le bief supérieur. C’est le cas pour le vieil ascenseur à bateaux d'Henrichenburg.

Énergie potentielle d’un bateau

Lorsqu’un bateau montant passe une écluse, il s’élève et son énergie potentielle augmente. Contrairement à l’intuition première, l’énergie nécessaire à l’élévation du bateau ne provient pas de l’eau déversée par les ventelles ou les vannes : durant une éclusée complète, l’énergie de cette eau se dissipe dans les turbulences. En effet, ce volume déversé ne dépend pas de la présence ou non du bateau, ni de sa taille, ni de sa masse.

Par contre, entre le moment où un bateau montant se trouve dans le bief aval et celui où il occupe le bief amont, il y a un changement d’état :

• Le volume occupé par le bateau dans le bief aval est remplacé par l’eau qui ressort du sas lorsque le bateau entre (porte aval ouverte).
• Le volume occupé par le bateau dans le sas plein est remplacé par l’eau qui quitte le bief amont lorsque le bateau sort (porte amont ouverte).

Finalement, le bateau montant restitue en aval le volume qu’il occupait et ce même volume est retranché en amont en fin de processus : il y a un échange parfait entre l’énergie potentielle acquise par le bateau montant et celle qui est cédée par le volume qui est descendu . Le fonctionnement d’un ascenseur à bateaux illustre clairement cette constatation.

L’effet qu’exerce l’éclusée sur le niveau des biefs influence la variation de l’énergie potentielle acquise par le bateau montant. Cependant, la différence de cotes entre le volume remplacé en aval et le volume cédé en amont correspond toujours à la hauteur d’élévation du bateau.

Pour un bateau descendant, c’est le mécanisme inverse qui s’opère : l’énergie potentielle fournie par le bateau permet de remonter d’une même hauteur un volume de même poids.

Écluses et environnement

Phénomène de pollution lumineuse, qui pourrait être réduit par un asservissement de l'éclairage aux besoins et aux conditions météorologiques

Sans nier les nombreux avantages environnementaux du transport par péniches, on peut admettre que les écluses contribuent à quelques problèmes environnementaux :

• Artificialisation des cours d'eau (si elles augmentent localement l'oxygénation, elles contribuent à remettre en suspension des sédiments souvent pollués dans les canaux)
• Pour limiter l'oxydation et l'usure de pièces essentielles de portes d'écluses, ces pièces ont longtemps fonctionné noyées dans un bain de mercure (jusqu'à plus d'1 kg de mercure par porte), avec des pertes minimes en temps normal mais très importantes en cas d'accident. De grandes écluses peuvent en contenir bien plus ; ainsi selon l'ONG Robin des bois, « Lors du remplacement d’une porte d’écluse du bassin principal du port de Saint-Malo fin août 2003, il a été constaté la perte d’environ 370 kg de mercure ». Le mercure perdu dans les canaux peut être transformé en méthylmercure par les bactéries des sédiments, en aval. Sous cette forme, le mercure est hautement toxique et fortement bioaccumulable.
• Gêne à la remontée des cours d'eau par les poissons (problème facilement résolu par des échelles à poissons bien conçues, voire une gestion particulière et adaptée des ouvertures des portes et ventelles)
• Séquelles de guerre : Certaines écluses ayant fait l'objet durant les guerres récentes (depuis 1870) de tirs intensifs, leurs fonds et abords peuvent encore contenir des munitions immergées ou des munitions non explosées, éventuellement chimiques pour celles de la période 14-18. Ces munitions seront susceptibles de poser des problèmes de toxicité pour l'environnement et le personnel quand elles commenceront à fuir à cause de leur corrosion. L'Allemagne, la Belgique et le Nord de la France sont concernées.
• Ce sont des lieux où les bateaux doivent ralentir, stopper, puis démarrer et accélérer, certains mariniers faisant tourner à plein leurs moteurs. Le fioul parfois non desoufré utilisé par ces moteurs, et l'huile peuvent être à l'origine d'une pollution de l'air et des sols augmentée autour de la zone de l'écluse. Cette pollution reste néanmoins très ponctuelle, surtout rapportée au tonnage transporté (250 tonnes pour un automoteur Freycinet de canal, propulsé par un moteur de 200 cv environ) - elle est très largement inférieure aux émissions globales d'un semi-remorque (450 cv pour porter 25 tonnes) et le bateau n'encombre pas les routes.
• Très éclairées la nuit, pour des raisons de sécurité, sur les grands axes qui fonctionnent 24 h sur 24 (Rhône, Seine), elles contribuent au phénomène de pollution lumineuse, qui pourrait être réduit avec un éclairage variant selon le besoin et les conditions météorologiques.

Calendrier

Dans le calendrier républicain français, le 20^e jour du mois de Thermidor est dénommé jour de l'Écluse.

Voir aussi

Articles connexes

• Pertuis (écluse)
• Busc (écluse)
• Seuil (barrage)
• Ascenseur à bateaux
• Pente d'eau
• Échelle à poissons
• Écluse de chasse
• Écluse de Kembs-Niffer
• Écluses de Fonseranes
• Écluses du canal du Midi
• Écluses du canal latéral à la Garonne
• Escalier de Neptune
• Réseau des voies navigables

Liens externes

• Lexique fluvial et batelier dans le Projet Babel - Écluse
• Simulation interactive d'écluse - Découverte du fonctionnement d'une écluse (en français, anglais, néerlandais)
• Deltawerken Online - Écluse séparant l'eau salée et l'eau douce tout en laissant libre cours aux bateaux (en anglais)