Le Sous-comité responsable des glaces de cours d'eau du NouveauBrunswick a été mis sur pied par le Comité technique chargé de la prévision des inondations en vertu du Programme CanadaNouveauBrunswick de réduction des dommages causés par les inondations (PRDCA). Les organismes suivants en font partie : ministère de l'Environnement du NouveauBrunswick (MENB), Commission d'Énergie électrique du NouveauBrunswick (CEENB), Université du NouveauBrunswick (UNB) et Environnement Canada représenté par l'Institut national de recherche sur les eaux (INRE), l'Institut national de recherches en hydrologie (INRH), le Service de l'environnement atmosphérique (SEA), la Direction des ressources en eau (DRE) et la Direction de la planification des eaux (DPE).

Le sous-comité joue un rôle de premier plan dans l'identification des problèmes reliés à la glace et dans la coordination des activités visant à trouver des solutions. Ce guide a été préparé pour renseigner le public sur les processus généraux de la glace fluviale, sur les caractéristiques particulières du régime de la glace fluviale du NouveauBrunswick, sur les techniques de surveillance et les méthodes de prévision et de contrôle.

Embâcle à un pont ferroviaire.

REMERCIEMENTS

Ce guide n'aurait pas été réalisé sans l'étroite collaboration des organismes membres du souscomité sur la glace fluviale. Un merci spécial est adressé aux personnes suivantes :

Redacteurs:

N.E. Elhadi, MENB

J.G. Lockhart, PRDCA

Auteurs:

S. Beltaos, INRE

B.C. Burrell, MENB

K.S. Davar, UNB

J. Dublin, SEA

S. Ismail, CEENB

R.J. Lane, DRE

T.D. Prowse, INRH

Examinateurs:

J.E. Anderson, MENB

T.M. Humes, DPE

Pont s'effondrant sous la force des glaces

1.0 INTRODUCTION

Les problèmes causés par la glace fluviale sont communs au NouveauBrunswick en hiver et au printemps, à partir du début de l'hiver, lorsque le frasil et la glace de fond se forment, en passant par la formation et la croissance de la glace de surface, jusqu'aux éventuelles débâcles et embâcles au printemps. Dans plusieurs régions de la province, les embâcles causent souvent des inondations qui détruisent des ponts et entraînent des dommages socio-économiques importants.

Il n'est pas nécessaire de rappeler aux résidents du NouveauBrunswick les récents événements reliés à la glace qui ont pris des dimensions presque catastrophiques. En 1970, les descentes de glaces et les embâcles ont détruit 32 ponts et causé des dommages pour une valeur de 14 millions de dollars en dollars constants de 1987. En 1976, les embâcles sur le fleuve SaintJean ont causé de graves inondations et dommages à PerthAndover et Woodstock totalisant 3,6 millions de dollars. Plus récemment, en 1987, un embâcle à la hauteur et en aval de PerthAndover a causé des dommages de 30 millions de dollars. Les dommages non documentés et incalculables augmenteraient énormément ces chiffres.

Récemment, d'énormes progrès ont été réalisés en ce qui a trait à la compréhension et à la prévision des problèmes de glace et à la réduction au minimum des dommages socio-économiques connexes. Il convient de mettre ces nouvelles connaissances scientifiques à la disposition du public intéressé, puisqu'il est essentiel que le public comprenne ces problèmes et collabore à leur gestion efficace. Le présent guide vise avant tout à présenter les éléments de base des phénomènes des glaces fluviales ainsi qu'à identifier les problèmes que cellesci entraînent ainsi que les techniques de réduction; il présente une simple et courte analyse des connaissances sur le sujet. La partie 2, donne une description des divers "procédés de glace". Un résumé des conditions météorologiques et une description du régime des glaces au NouveauBrunswick sont fournis dans la partie 3. La partie 4 donne diverses techniques de surveillance de la glace de même que les données essentielles à recueillir à l'aide de programmes de surveillance terrestre. Les méthodes de prévision et les applications quantitatives sont résumées dans la partie 5, tandis que les méthodes de contrôle de la glace sont décrites dans la partie 6. Bon nombre des analyses scientifiques et d'ingénierie exigent des procédures théoriques et informatiques complexes qu'il est impossible de décrire dans un document comme celui-ci. Le lecteur qui désire plus d'information peut consulter la bibliographie ciincluse.

2.0 PROCESSUS DE LA GLACE FLUVIALE

La plupart des rivières du NouveauBrunswick sont recouvertes de glaces pendant la majeure partie de l'hiver. Le phénomène de la glace fluviale est habituellement répartie en périodes de gel et en périodes de dégel. Ses caractéristiques dépendent des conditions météorologiques et de débit qui surviennent lors des périodes de gel et de dégel. Les processus et caractéristiques de la glace fluviale prédominants observés dans les rivières du NouveauBrunswick sont présentés dans les parties suivantes.

2.1 GEL

La température de l'air et la vitesse du débit sont les deux plus importants facteurs affectant le processus de glace au cours de la période de gel. L'échange calorifique à la surface d'eau libre est le principal processus par lequel la température de l'eau de la rivière chute à l'automne. Le transfert de chaleur dépend des radiations solaires ou à ondes courtes, du rayonnement de grandes ondes, de l'évaporation ou de la condensation, de la convection et des précipitations. Les taux de pertes thermiques correspondants (taux de la chaleur transférée par superficie unitaire) peuvent être calculés selon les principes hydrothermiques et météorologiques (Michel 1971). Des échanges calorifiques mineurs peuvent également survenir dans le lit du cours d'eau en raison de l'écoulement souterrain, de la chaleur emmagasinée dans les sédiments de fond, de la chaleur géothermique et de la friction du débit. Ces moyens d'échange calorifique sont généralement négligeables mais peuvent devenir importants en présence d'une nappe de glace.

Le taux de perte thermique est souvent calculé comme étant le produit de la différence entre les températures de l'air et de l'eau, et le facteur démontrant les conditions locales et météorologiques. Par exemple, ce facteur variait de 20 à 60 watts/m²⁰C pour le fleuve SaintLaurent (Shen et autres, 1984; Prowse, 1987). En connaissant le taux de perte de chaleur et les conditions hydrologiques du cours d'eau, on peut prévoir la température de l'eau. La formation de glace est imminente lorsque la température de l'eau chute à près de 0^oC.

Vous trouverez ci-dessous une description du processus de gel pour les types de glace les plus fréquemment observés dans les rivières du NouveauBrunswick.

2.1.1 Glace de Rive

La première glace à apparaître sur une rivière se forme habituellement le long des rives où la vélocité est faible (Illustration 1). La glace de rive s'accroît verticalement et latéralement vers le milieu du cours d'eau. La croissance latérale peut avoir lieu même si la température de l'eau principale est légèrement au-dessus du point de congélation, selon la vitesse du débit et les conditions météorologiques, fig. 1 (Devik, 1964). Actuellement, la meilleure façon de prévoir le taux de croissance latérale est d'utiliser les relations empiriques mises au point par Newbury, 1968 et Matousek, 1984.

ILLUSTRATION 1. FORMATION DE LA GLACE DE RIVE.

Fig. 1. Conditions pour la formation de la glace de rive

2.1.2 Frasil

Il apparaît souvent du frasil dans les rivières du NouveauBrunswick durant la période de gel et tout au long de l'hiver dans les tronçons turbulents sans glace. Il est formé de petites particules à la suite d'un léger refroidissement rapide de l'eau (à environ -0,05). La quantité de frasil est proportionnelle à l'étendue de la surface d'eau libre et au taux de perte thermique.

Dans l'eau rapidement refroidie, les particules de frasil adhèrent les unes aux autres, formant les "rochers" ou "flocons" de frasil qui flottent et remontent à la surface. Cette propriété de l'adhérence de particules entraîne habituellement une des formes d'accumulation de glace suivantes (fig. 2) :

Fig. 2. Formation de la glace fluviale

Radeaux de glace : Au fur et à mesure que les rochers de frasil prennent de l'expansion, ils forment des radeaux de glace (Illustration 2). Ces radeaux de glace peuvent s'arrêter à un étranglement de canal ou s'échouer contre une nappe de glace dans les parties de la rivière où la vélocité est inférieure à 0,6 m/s ou quand le nombre de Froude est inférieur à 0,08. Le nombre de Froude est défini par (V/(gH)^0.5); V étant la vélocité moyenne, g l'accélération de la gravité et H la profondeur moyenne. Lorsque l'eau de surface continue de perdre de sa chaleur dans l'atmosphère, ces radeaux de glace gèlent ensemble pour former une nappe de glace continue.
Barrages suspendus : L'accumulation de frasil contre une nappe de glace progresse vers l'amont lorsque la vélocité du bord en amont de la nappe de glace est faible. À de grandes vélocités, le frasil est transporté en aval sous la nappe de glace où il adhère au dessous de la glace dans une zone à faible vélocité. À mesure que l'approvisionnement en frasil continue, l'accumulation de glace sous la nappe s'accroît, formant un "barrage suspendu". Un barrage suspendu peut provoquer un vaste blocage extensif du débit dans la zone pour causer une augmentation des niveaux d'eau en amont et d'éventuelles inondations.

ILLUSTRATION 2. ACCUMULATION DE FRASIL (RADEAUX DE GLACE)

Glace de fond : dans les tronçons turbulents des rivières larges et peu profondes, les particules de frasil peuvent adhérer au lit de la rivière et s'agglomérer pour former de la glace "de fond". La glace de fond se forme généralement en soirée lorsque le taux de pertes thermiques est le plus élevé et que le refroidissement rapide se produit. La glace de fond peut provoquer un blocage important de la coupe transversale du débit qui entraînerait une inondation locale. On possède peu de données sur la formation, l'expansion et le détachement de la glace de fond.

2.1.3 Nappe de glace thermique

Dans les rivières ayant des vélocités inférieures à 0,6 m/s et des températures sous le point de congélation, des cristaux de glace se forment à la surface et se lient ensemble pour créer une mince feuille de glace. Une fois formée, cette glace commence à s'accroître vers le bas en gelant à l'interface de la glace et de l'eau. La perte thermique est retardée par la nappe de glace ellemême et par la nappe de neige qui peut s'y trouver. Lorsqu'une accumulation de frasil gèle, le taux d'épaississement de la couche de glace solide est inversement proportionnelle à la porosité de l'accumulation. Une simple formule semi-empirique est souvent utilisée pour calculer l'épaisseur de la glace solide, h_i, en centimètres comme dans :

h_i = a_i(D_F)^0.5 (1)

D_F = degrés-jours accumulés de congélation (^oC-jours) et

a_i = coefficient empirique. Les valeurs de a_i se définissent ainsi : a_i = 2,7 pour un lac venteux sans neige; 1,7 à 2,4 pour un lac moyen avec neige; 1,4 à 1,7 pour une rivière moyenne avec neige; et 0,7 à 1,4 pour une petite rivière abritée avec un débit rapide.

Dans le centre du NouveauBrunswick, l'épaisseur des nappes de glace thermiques varie généralement de 38 à 80 cm; selon la rigueur de l'hiver.

2.2 DÉBÂCLE

Le temps doux fait habituellement fondre la couverture de neige et affaiblit la nappe de glace. De plus, les fissures longitudinales et transversales, illustration 3, réduisent davantage la force de la nappe. Le taux de fonte nivale et de précipitations et le ruissellement subséquent sont les principaux facteurs qui entravent le processus de dégel. Un taux élevé de fonte nivale et de précipitations suivi d'une augmentation rapide du débit de la rivière, entraîne normalement une débâcle prématurée d'une nappe de glace relativement forte. Ce type de débâcle peut survenir au milieu de l'hiver ou tôt au printemps, et elle provoque généralement les pires inondations. Par contre, une fonte nivale lente provoque une augmentation graduelle du débit de la rivière et une détérioration graduelle de la nappe de glace, entraînant des pointes de niveaux d'eau beaucoup moins élevées.

ILLUSTRATION 3. FISSURES LONGITUDINALES

2.2.1 Dégel d'hiver

Le centre et le sud du NouveauBrunswick connaissent souvent des périodes de temps doux peu saisonnières à la fin de janvier et au début de février. Ces temps sont à l'occasion accompagnées de quantités moyennes de pluie, ce qui entraîne un taux élevé de fonte nivale, et par conséquent, des débits fluviaux élevés. Les forces en aval accrues sont donc exercées sur la nappe de glace, causant des dégels localisés et, dans certains cas, des embâcles et des inondations. Lorsque les températures de congélation du milieu de l'hiver reviennent, l'embâcle peut geler et figer sur place. Dans bon nombre de cas, ce phénomène entraîne des embâcles et des inondations plus graves le printemps suivant.

2.2.2 Dégel du printemps

À la fin de mars ou au début d'avril, un réchauffement général fait fondre la couverture de neige et dégèle graduellement la nappe de glace. Ce processus est souvent aggravé par les précipitations; il diminue la force de la nappe de glace et augmente le débit du cours d'eau ainsi que les niveaux d'eau. Ces phénomènes augmentent les forces exercées sur la nappe de glace et entraînent la formation de fissures en charnières parallèles aux deux rives, ce qui diminue la résistance de la nappe de glace. À un certain point, à mesure que les forces en aval exercées sur la nappe augmentent pendant que les forces de résistance diminuent, la nappe de glace entame son mouvement qui occasionne la désintégration de la nappe de glace en morceaux se dirigeant vers l'aval. La distance que parcourt la glace dépend des conditions du débit, de la géométrie de la rivière et des conditions météorologiques immédiatement avant et pendant la période de dégel.

À mesure que la glace brisée poursuit son chemin en aval, sa vitesse contribue davantage au dégel de la nappe de glace jusqu'à ce qu'elle se dépose à un point offrant une plus grande résistance; comme à un étranglement de canal, au bord d'une forte nappe de glace, ou au mélange des deux. La durée de séjour de la glace à un endroit spécifique a un impact significatif sur la progression de la débâcle, les niveaux d'eau en amont et l'étendue de l'inondation.

2.3 EMBÂCLES

Les embâcles sont les événements les plus dramatiques provoqués par le dégel et l'accumulation rapide de la glace fluviale fragmentée. Ils provoquent souvent de soudaines augmentations massives du niveau d'eau, entraînant de graves dommages causés par les inondations, dans certains cas supérieurs à ceux reliées aux inondations d'eau libre. Au Nouveau-Brunswick, environ 70 pour cent des dommages causés par les inondations signalées sont provoqués par des inondations reliées à la glace.

Certains endroits sont plus propices à la formation d'embâcles que d'autres : le confluent de deux rivières, les étranglements de canaux, les tournants prononcés, les îles, les ponts, les tronçons de rivières peu profonds, le bord d'une nappe de glace solide, et les changements soudains de la pente de la surface d'eau. Les embâcles sont souvent provoqués par une combinaison de deux ou plusieurs de ces facteurs.

La gravité d'un embâcle est généralement influencée par le débit de la rivière, le volume et la force de la glace fluviale, la durée de la période de dégel, le taux de transfert thermique, la profondeur de la neige et les précipitations. Le débit de la rivière est le plus important facteur déterminant de la gravité d'un embâcle.

SECTION SUIVANTE - CHAPITRE 3 - RÉGIME DE LA GLACE FLUVIALE

Ministère de l'Environnement
Courrier électronique | Coordonnées | Décharge | Déclaration de confidentialité