ARTICLE
Des brise-vent végétaux ont été simulés
en soufflerie. Différents paramètres ont été
étudiés : distribution en lignes simples ou en plusieurs
lignes, porosités variables des troncs et de la canopée,
afin de déterminer la configuration optimale de leur répartition
et de leur constitution. On aboutit à d'utiles indications permettant
par exemple de réduire les dépenses de plantation et d'entretien
des brise-vent, d'orienter le choix de la végétation (broussaille
et arbres) à installer...
Rosenberg [1] définit un brise-vent comme toute structure qui
réduit la vitesse du vent. Un brise-vent est souvent associé
à une barrière formée par une végétation
naturelle. Il se compose d'un ou de plusieurs éléments et
réduit par sa présence la vitesse du vent (ou la turbulence)
dans son voisinage et sur une certaine distance du côté du
vent et sous le vent [2]. Le terme « pare-vent » désigne
toute barrière artificielle, synthétique ou mécanique,
réduisant la vitesse du vent.
Khatteli [3] a utilisé plusieurs techniques de lutte contre l'ensablement
dans le Sud de la Tunisie. Des brise-vent en feuilles de palme ou en plaques
de fibro-ciment (76 cm de hauteur) ont servi à fixer les dunes
sur place. Les lignes espacées de 20 m ou des carreaux de 20 m
de côté pouvaient ainsi être considérés
comme les traitements les plus appropriés. Il y a lieu de rappeler
les résultats des travaux antérieurs sur les brise-vents
inertes entrepris en Tunisie qui ont démontré que l'effet
de protection d'un brise-vent s'arrêtait au-delà de 15 à
20 fois sa hauteur [4, 5].
L'effet d'un brise-vent à une hauteur et une distance bien définies
peut être évalué par le rapport entre la vitesse moyenne
du vent réduite par le brise-vent et celle du vent non perturbé
à la hauteur et la distance considérées. Woodruff
et Zingg [6-8] ont utilisé le terme « rapport de vélocités
», d'autres ont appelé ce rapport « vélocité
relative » [9], « vitesse relative du vent » [10, 11],
« efficacité » [12, 13] ou, après multiplication
par 100, « pourcentage relatif de vélocité » [14].
Moysey et McPherson [15] ont mesuré la vitesse moyenne sous le
vent par rapport à la vitesse du vent à la hauteur du sommet
du brise-vent, mesurée en l'absence de ce dernier dans la soufflerie.
Plate [16] et Britter et al. [17] ont mis en relation les profils
moyens de la vitesse du vent à la vitesse au bord de la couche
limite. Ces deux derniers paramètres n'ont pas reçu de noms
particuliers. Au lieu de ces paramètres qui donnent la réduction
de la vitesse du vent pour une hauteur et une distance données,
un seul paramètre donnant une réduction générale
de la vitesse du vent peut être utilisé pour comparer des
brise-vents différents. Raine et Stevenson [9] ont intégré
la vélocité relative sur plusieurs distances et hauteurs.
Cette étude en soufflerie a pour objectif la simulation et la
mise à l'échelle réduite de brise-vent végétaux
(tronc + canopée) et l'évaluation de leur effet sur la réduction
de la vitesse du vent. Cinq brise-vent en ligne simple et deux combinaisons
de plusieurs lignes ont été testés. Des zones de
déflation et de dépôt ont été estimées
à partir de la mesure de la vitesse du vent et elles ont été
comparées avec des données expérimentales de transport
de sable dans la soufflerie.
Matériel et méthodes
Les expérimentations ont été menées dans
la soufflerie du Centre International d'Érémologie de l'Université
de Gand, Belgique [18] (figure
1) à une vitesse du vent libre de 6,3 m·s-
1. Les mesures de la vitesse du vent ont été effectuées
à l'aide de sondes à hélice de 16 mm à une
hauteur de 2, 5, 10 et 15 cm de la surface du tunnel et à une distance
de 660, 680, 690, 695, 700, 705, 710, 720, 740, 760, 800, 850, 900, 950
et 1 000 cm de l'entrée de la section d'essai. Les sondes ont été
connectées à un système d'acquisition de données
qui permet d'enregistrer la vitesse du vent toutes les secondes.
Une couche uniforme de sable (largeur 50 cm, longueur 580 cm, épaisseur
2 cm) étant placée à 420 cm de l'entrée de
la section d'essai, a été exposée à une vitesse
de vent libre de 6,3 m.s- 1 pendant 30 minutes. Le sable
utilisé dans cette étude était un sable dunaire (côte
belge) dont la granulométrie est représentée dans
le tableau I. Les mesures
de déflation et de dépôt ont été effectuées
en déterminant l'épaisseur de la couche de sable.
Des brise-vent végétaux ont été simulés
à l'échelle réduite en combinant des rubans de polyester
d'une porosité de 32 % [19], représentant la canopée,
et des bâtons en bois d'une épaisseur de 9 mm, représentant
les troncs d'arbre. Cinq brise-vent en ligne simple ont été
testés, chacun avec une porosité différente des troncs
et de la canopée. En outre, et dans le but de déterminer
l'effet du nombre de lignes, une combinaison de deux éléments
et une de trois éléments ont été étudiées,
les éléments étant placés l'un derrière
l'autre avec alternance des troncs.
Les brise-vent avaient une hauteur de 10 cm afin de pouvoir effectuer
toutes les mesures dans la couche limite du tunnel et ils étaient
placés à 700 cm de l'entrée de la section d'essai.
Les brise-vent étudiés sont représentés dans
la figure 2.
L'effet sur la réduction de la vitesse
du vent à une certaine hauteur z et une certaine distance x du
brise-vent a été évalué par un coefficient
de réduction Crxz :
où x = distance à partir du brise-vent (exprimée
en nombre de fois la hauteur H du brise-vent), z = hauteur au-dessus du
brise-vent (exprimée en nombre de fois la hauteur H du brise-vent),
Ùxz = moyenne arithmétique de la vitesse du vent
influencée par le brise-vent (m·s- 1) et Ùoxz
= moyenne arithmétique de la vitesse du vent en l'absence de brise-vent
(m·s- 1).
La réduction générale de la vitesse du vent a été
exprimée par un coefficient de réduction générale
Crg :
ou
Les zones de dépôt ont été déterminées
d'après les observations de Van den Steen [20] qui a montré
que le dépôt du sable en question commence à des vitesses
du vent inférieures à 3 m·s- 1 (vitesse
seuil de dépôt).
Résultats et discussion
L'écran en polyester a été très efficace
pour la réduction de la vitesse du vent. Il a présenté
un coefficient de réduction maximal de 0,99 à une distance
de 2 H sous le vent et à une hauteur de 0,5 H. À une distance
de 8 H et 20 H du brise-vent, la valeur du Cr était respectivement
de 0,90 et de 0,45 [19].
Les expérimentations ont montré, en comparant les cinq
brise-vent composés d'une ligne simple, qu'une porosité
uniforme en hauteur (brise-vent n° 1) donne la zone protégée
la plus longue. Les mêmes observations ont été faites
par Hagen [21]. À une distance de 10 H le Cr était encore
de 0,8. Néanmoins, le Cr du brise-vent avec partie inférieure
dense (porosité basse) (brise-vent n° 2) était plus
élevé près du brise-vent, mais seulement jusqu'à
une distance de 7 H (figure 3).
Ceci est dû à la force d'entraînement réduite
en haut de la barrière : les vitesses élevées du
vent se rétablissent plus vite [9, 22]. Une partie inférieure
plus poreuse (brise-vent 3 et 4) semble être moins efficace : le
Cr chute immédiatement derrière le brise-vent. Ceci peut
être expliqué par une pression accrue près de la surface.
En l'absence de canopée (troncs seulement), l'effet sur la vitesse
du vent est minimal. La force d'entraînement effectuée par
le brise-vent n'a pu réduire la vitesse du vent que de 10 %. La
comparaison de la réduction générale de la vitesse
du vent Crg mène aux mêmes conclusions (tableau
II).
Un effet positif de l'augmentation du nombre
de lignes dans le brise-vent a seulement pu être observé
entre 3 H et 8 H sous le vent (figure
4). Plus près et plus loin de la barrière, le brise-vent
n° 1 a été plus efficace dans la réduction de
la vitesse du vent. Les phénomènes observés dans
cette expérimentation sont en accord avec ce qui peut être
observé quand on réduit la porosité du brise-vent
à une valeur inférieure à la porosité optimale
qui est aux alentours de 25 % [19, 23]. Quoique des brise-vent avec porosité
réduite engendrent des vitesses du vent très basses près
de la barrière [24], les conditions sous le vent se rétablissent
plus vite et la vitesse du vent augmente plus rapidement que derrière
des brise-vent plus poreux [25]. Du fait que les troncs des différentes
lignes se trouvaient en alternance, la porosité diminuait au fur
et à mesure que le nombre de lignes augmentait. Le coefficient
de réduction générale Crg le plus important
a été observé pour un brise-vent composé d'une
ligne simple (tableau II).
Enfin, pour une porosité uniforme (brise-vent n° 1), un
dépôt de sable a été observé à
des distances depuis - 5 H jusqu'à + 22 H de la barrière
(figure 5). La quantité
de sable déposé est la plus élevée devant
le brise-vent (effet piège) et derrière la barrière
jusqu'à une distance de 5 H. Une partie inférieure moins
dense (brise-vent n° 3) a résulté en une zone d'érosion
accrue sous le vent, ce qui est en accord avec les constatations de Bofah
et Ahmad [26 en 27]. Les données expérimentales ont confirmé
l'existence de zones de dépôt déterminées par
voie graphique, là où la vitesse du vent devient inférieure
à 3 m·s- 1 (figure
6).
CONCLUSION
Il est possible de déterminer graphiquement les zones de dépôt
à partir de mesures de la vitesse du vent devant et derrière
un brise-vent quand la vitesse seuil de dépôt de sable est
connue. Dans le cas du brise-vent en ligne simple et avec une porosité
uniforme en hauteur, la zone de dépôt était la plus
élevée devant le brise-vent (effet piège) et derrière
la barrière jusqu'à une distance de 5 H.
En ce qui concerne la configuration du brise-vent, on peut conclure
qu'une porosité uniforme au niveau des troncs et des canopées
donne la zone protégée la plus longue (de - 5 H à
+ 22 H) et le coefficient de réduction générale Crg
le plus élevé : cependant l'absence de canopée a
donné un coefficient de réduction Cr plus élevé
près du brise-vent. L'augmentation du nombre de lignes semble efficace
pour la réduction de la vitesse du vent uniquement à une
distance de 3 à 8 H sous le vent. Les brise-vent composés
d'une ligne simple étaient les plus efficaces soit tout près,
soit à grande distance de la barrière. Les conclusions pour
la mise en place des brise-vent végétaux sont que :
- il n'est pas nécessaire de planter plus d'une ligne d'arbres,
ce qui peut réduire les dépenses de plantation et l'entretien
du brise-vent ;
- il est évident que la hauteur des brise-vent détermine
la longueur de la zone protégée qui s'élève
jusqu'à 20 H ;
- pour obtenir une porosité uniforme d'environ 25 %, le
brise-vent doit être constitué d'une ligne d'arbres fermée
aux canopées uniformes accompagnés de broussailles en utilisant
des espèces qui sont en feuille durant la période des vents
forts : il faut en tout cas éviter la situation où les broussailles
perdent leurs feuilles pendant que les arbres restent en feuille.
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