Introduction. Hydrométrie : méthodologie et technique de la mesure des hauteurs d'eau et des débits dans les cours d'eau.

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1 Introduction Hydrométrie : méthodologie et technique de la mesure des hauteurs d'eau et des débits dans les cours d'eau. Station hydrométrique : Section d un cours d eau où sont mesurées : la côte de la surface d eau libre (limnimétrie) : h (m) le débit du cours d eau (débitmétrie) : Q (l/s ou m 3 /s) Difficulté de mesurer le débit en continu (technologie existante mais coûteuse cf débitmètre à ultrasons): Suivi continu de la hauteur d eau Jaugeages : détermination de la courbe d étalonnage du cours d eau Q=f(h)

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3 Courbe de tarage = étalonnage Étalonner une station, c est rechercher la relation entre les cotes et les débits, afin de transformer la courbe des hauteurs en courbe des débits Exemple : courbe d étalonnage de la station de Gonsé sur la Massili (Nakambé, BF) Relation Q = f(h) Remarque : Système anglo-saxon : h = f(q)

4 Sections caractéristiques Trois types de sections caractéristiques sont définies dans un bief hydrométrique (Q constant tout au long du bief) : Section de l échelle limnimétrique ( =section de référence) Section de contrôle (existante ou non) Section de jaugeage

5 Station hydrométrique Choix du site de la station hydrométrique : Chenal unique absence de débordement Bief rectiligne Stabilité du lit (matériaux résistant) Sensibilité de la section Seuil de contrôle stable Accessibilité de la station

6 Nature et Stabilité du lit La nature du lit : stabilité

7 2. Le lit naturel du cours d eau : nature et stabilité du lit Ex 1 : Effet du déblaiement en décrue sur le courbe d étalonnage d une station Ex2 : Effet du remblaiement en décrue sur le courbe d étalonnage d une station

8 1. Le lit naturel du cours d eau La nature du lit : la rugosité Lit rocheux : Station de Kara (rivière Kara, bassin de l Oti, Togo) Lit sableux : Station de Bittou (rivière Nohao, bassin du Nakambé, BF)

9 Sensibilité d une station La sensibilité de la station est d autant meilleure qu une grande variation de la hauteur lue à l échelle correspond à une faible augmentation du débit traversant la section de l échelle. Sensibilité exprimée par le rapport Q h ou Q / Q h

10 Critères de choix d un site de jaugeage Choix de la section de jaugeage : Caractéristiques recherchées : Section transversale stable et régulière vitesses d eau suffisantes, filets d eau parallèles Hautes eaux : attention à l influence aval de barrage, ou d affluent (effet de reflux) Basses eaux : Jauger à proximité de la section de l échelle (phénomènes d infiltration dans les alluvions) Présence naturel ou construction d un seuil pour contrôler et jauger les bas débits

11 Les capteurs hydrométriques Différents type de capteurs limnimétriques (mesure des hauteurs d eau) : Les codeurs à flotteurs Limnigraphe Codeur électronique (ex : Thalymède de OTT) Les capteurs de pression capteurs de pression hydrostatique capteurs de pression bulles à bulles Les capteurs à ultra-sons Les capteurs radar

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13 Les capteurs limnimétriques Les échelles limnimétriques : Elles sont alignées dans la section de mesure Eléments calés les uns p/r aux autres Et référencés par rapport à une borne

14 -L échelle limnimétrique = Règle ou tige graduée en métal, bois ou pierre, placée verticalement ou inclinée permettant la lecture directe de la hauteur d eau à la station. La lecture de l échelle se fait à 5mm de précision environ. Le zéro de l échelle doit être en dessous du niveau des plus basses eaux connues.

15 Les codeurs à flotteurs

16 Principe : Les variations de hauteurs d eau entraînent un mouvement du flotteur Une roue codeuse (poulie/câble) convertit le mouvement en un signal électrique proportionnel à la variation du plan d eau Précision : quelques mm Avantages : simplicité, grande robustesse Inconvénients : génie civil important (gaine) envasement Les codeurs à flotteurs Codeur électronique (type Thalymèdes-OTT) en association avec un limnigraphe

17 Station de Daboya (White Volta, Ghana)

18 Station de Bittou (Nohao, Burkina)

19 limni Échelle de crue

20 Les capteurs de pression Principe : mesure de la pression hydrostatique de la colonne d eau Déformation d une membrane souple sous l effet de la pression hydrostatique Transformation de la déformation mécanique en signal électrique par un transducteur Transducteur les plus utilisés : jauges de contraintes métallique ou céramique Précision : de 0.5 mm à 1 cm suivant la gamme de mesure

21 Les capteurs de pression Les capteurs de pression hydrostatique Avantages : Installation simple Grande précision Inconvénients : Dérive liée à la déformation de la membrane Nécessité de recaler périodiquement la sonde Envasement Mise l air libre prolongé (étiage) peut endommager la sonde Pascal bar atmosphère g/cm 2 psi 1 Pascal (Pa) = , , , bar = , ,51 1 atmosphère = 1, , ,70 1 g/cm 2 = 98 0, , , psi = , ,068 70,3 1

22 Les capteurs de pression Les capteurs de pression bulle à bulle Principe : Compresseur envoie un débit d air dans un tube immergé La pression correspondant à l apparition des 1 ères bulles est proportionnelle à la hauteur d eau Elle est mesurée par un capteur de pression différentielle Avantages : Installation simple Bonne sensibilité (1 cm pour 10 m) Installation simple et peu couteuse Uniquement un tuyau en plastique dans l eau (peu de perte en cas de crue ou de vandalisme) Inconvénients : Difficulté de mesure dans les écoulements turbulents Atténuation du signal pneumatique

23 Principe de mesure p atm m p tube = p atm + p vwater level p atm Water level P water level p atm p tube p

24 Les capteurs limnimétriques Capteurs à ultra-sons Principe : Mesure du temps de parcours aller-retour d une onde ultrasonore La hauteur (h) du plan est déduite du temps de propagation l onde vers plan d eau : h = c*t/2 2 types : capteurs immergés capteurs aériens Avantages : Mesure des écoulements chargés (ultra-son aérien) ou bien mesure sans contact. Inconvénients : facteurs d influence de difficile à prendre en compte : T, salinité, vent, (nécessité de lisser et de caler périodiquement les valeurs)

25 Les capteurs limnimetriques Capteurs Radar Principe identique à l ultra-son : Avantages : Mesure sans contact Mesure non affectée par la T ou l Humidité Facile à installer Inconvénients : Cout

26 La mesure des débits A PARTIR DES JAUGEAGES Jaugeage = Ensemble des opérations, des mesures et des calculs destinés à déterminer le débit d'un cours d'eau, d'un canal, d'une conduite, d'une source en un point donné. Sur un cours d'eau, ce point est appelé "station de jaugeage".

27 La mesure des débits Q (m 3 s -1 ) = V (m.s -1 ) x S (m 2 ) les méthodes globales, dans lesquelles Q est mesuré directement: méthode volumétrique, seuils jaugeurs, dilution chimique, électromagnétisme; les méthodes incomplètes, dans lesquelles le champ des vitesses est exploré de façon partielle: ultrasons, bateau mobile, flotteurs; les méthodes complètes, dans lesquelles les trois composantes Hm, L, U sont mesurées séparément : essentiellement moulinet hydrométrique, ADCP.

28 Les méthodes globales Mesure volumétrique Seuils jaugeurs ou déversoirs But : Passage à travers un ouvrage à géométrie connue (seuil, canal, déversoir) et calibré. Application des lois de l'hydraulique Q=f(h) Détermination de la courbe de tarage La formule est donnée suivant la nature de l ouvrage, sa géométrie et le régime de l écoulement Principe : Obtenir un régime critique Relation univoque entre le débit Q et la charge h (hauteur au-dessus du seuil) Relation aussi stable que possible.

29 Seuil Déversoirs Q h α Exemple de relation Q=f(h) : Canal venturi Mesure h Quand les débits sont très faibles, toute l'eau peut être conduite vers un déversoir spécialement étalonné.

30 Q = K C Hn avec K: coefficient de débit lié à H; C et n : paramètres dépendant des caractéristiques du seuil

31 Seuils jaugeurs : jaugeurs Parshall

32 Seuils jaugeurs : jaugeurs Parshall Effet du rétrécissement d un seuil

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34 Les méthodes globales Jaugeages chimiques Q : débit du cours d'eau q : débit de la solution mère C1 : concentration de la solution mère C2 : concentration du traceur à la section de prélèvement

35 injection instantanée (ou par intégration) ou bien par injection continue Prélèvement du traceur [C2] Injection d un traceur [C1] Q Q=k.C1/C2 Méthode plutôt adaptée aux rivières à forte pente, au lit irrégulier où l écoulement est fortement turbulent

36 Les méthodes incomplètes Méthode ultrasonique

37 Méthode Ultrasonique à corde Un émetteur et un récepteur sont montés en opposition. La vitesse du son allant de l'émetteur au récepteur constitue la vitesse intrinsèque du son, plus un apport dû à la vitesse du fluide. La mesure du temps t mis par le signal pour parcourir la distance L permet de connaître la vitesse du fluide et d'en déduire le débit C : vitesse de propagation du son dans le fluide V : vitesse du fluide L :distance entre émetteur et récepteur écoulements turbulents Bonne précision Cout élevé Mesure sur une corde (donc mesure de hauteur d eau nécessaire) Bief de mesurage rectiligne Écoulement peu chargé (MES, végétation, bulles entrainent atténuation du signal acoustique) Stabilité du lit (détermination de la surface mouillée avec le profil en travers)

38 Méthode Ultrasonique à effet Doppler Mesure horizontale sur un cone en travers de la rivière. Mesure les vitesses à differents points sur la largeur.

39 Méthode Ultrasonique à effet Doppler

40 Méthode Ultrasonique à effet Doppler : l ADCP (méthode complète) Qu est-ce qu un ADCP? Acoustic Utilisation d une onde sonore Doppler Effet Doppler appliqué à la mesure de vitesse Current - Mesure de la vitesse de l eau Profiler - Mesure d un profil de vitesse, pas d une vitesse ponctuelle

41 Méthode Ultrasonique à effet Doppler : l ADCP Le jaugeage à l ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) : Une technique récente (environ 10 ans) Principe : vitesse de l eau mesurée à partir des particules en suspension, par effet Doppler Prix : environ euros ADCP (Modèle WorkHorse de RDI)

42 Méthode Ultrasonique à effet Doppler : l ADCP Le jaugeage à l ADCP : principe Mesure de la vitesse faite par rapport à l ADCP Vitesse mesurée grace aux particules en suspension dans la colonne d eau Mesure de la vitesse de l eau et du déplacement de l ADCP Vitesse du déplacement de l ADCP par rapport au fond (réflections du fond) Transducer Acoustic pulse Magnified view of scatterers

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45 Draft Blanking distance Maximum slant range Area of measured discharge Side lobe Main beam Side lobe Streambed Side lobe interference

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49 JAUGEAGES AUX FLOTTEURS : Méthode incomplète Il s'agit dans cette méthode de mesurer uniquement des vitesses de surface, ou plus exactement les vitesses dans la tranche superficielle de l'écoulement (les 20 premiers centimètres environ). Les flotteurs peuvent être soit artificiels (bouteilles en plastiques) soit naturels (arbres, grosses branches, etc.). Le déplacement horizontal d'un flotteur de surface durant un temps t permet de déterminer la vitesse de l'écoulement de surface. Plusieurs mesures de vitesse du flotteur doivent être réalisées. La moyenne de ces mesures est ensuite multipliée par un coefficient approprié pour obtenir la vitesse moyenne de l'élément de section.

50 Jaugeages aux flotteurs : exemples de flotteurs Tout corps naturel ou artificiel porté par l'eau, partiellement ou entièrement immergé, dont les mouvements verticaux indiquent les variations du niveau de l'eau, et dont le déplacement horizontal indique la vitesse de l'eau à la surface ou à diverses profondeurs.

51 Jaugeages aux flotteurs : méthode de mesure

52 Jaugeages aux flotteurs : dépouillement

53 Jaugeages aux flotteurs : calcul de la vitesse des flotteurs

54 Les méthodes complètes Jaugeages au moulinet

55 Jaugeages au moulinet : Les supports de moulinet

56 Jaugeages au moulinet : Déplacements du support de moulinet

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58 Courantometre Electromagnétique

59 Courantometre Electromagnétique B A ds V a B F a L Principe de Faraday : si un liquide conducteur, animé d'une vitesse V à l'intérieur d'un tube (dont le diamètre D est électriquement isolé), traverse perpendiculairement un champ magnétique B, une tension U est induite dans ce liquide. Cette tension est captée par deux électrodes qui mesurent : U = D B. V Si la force F est dans la même direction que la longueur du fil (il s agira de la longueur du conducteur entre les 2 électrodes dans le cas du courantomètre), alors toute la composante de cette force sert à pousser les électrons le long du fil. Dans le cas plus général où la direction d'un élément du fil dl n'est pas la même que celle de la force, il faut calculer la composante de la force le long du fil pour obtenir le potentiel: du = F. dl = F*dL*cos(F,dL) = F*dL*cos(a) En additionnant tous les potentiels le long du fil, on obtient le potentiel total. La composante de cette force dans la direction du fil pousse les électrons jusqu'à ce qu'un champ électrique opposé se crée dans le conducteur. Or F = q (V x B ), Donc U AB = q. V. B. sin(v,b). L AB. cos(a) Le courantomètre électromagnétique peut ainsi fournir la valeur de la vitesse du courant : V. sin(v,b). cos(a) = Valeur mesurée pour le courantomètre électromagnétique Il faudra donc toujours veiller à ce que la vitesse du courant se fasse dans un plan horizontal (sin=1) et garder à l esprit que l instrument de mesure doit être orienté suivant la direction du vecteur vitesse (cela peut aisément se faire en recherchant l orientation pour laquelle la vitesse mesurée est maximale pour un point de mesure donné (cos(a)<1)).

60 Courantometre à ultrason

61 Débitmétrie - à partir de jaugeages par exploration du champs de vitesses : On détermine la vitesse en différents points de la section mouillée avec un matériel spécifique (moulinet, saumon, perche,courantomètre) Q = Vitesse moyenne de l écoulement * Aire (section mouillée) dl dp Q= V(p,l)dpdl section Hélice V = f(nbe de tours/dt) p l saumon Mesures de vitesses ponctuelles + mesure de la section d écoulement

62 Jaugeages au moulinet : jaugeage par exploration du champ des vitesses Détermination du débit d'un cours d'eau en mesurant, dans une section droite, la vitesse du courant en un certain nombre de points dont on mesure également la profondeur, et en faisant la somme des produits des vitesses moyennes par les aires élémentaires auxquelles elles s'appliquent. Technique hydrométrique traditionnelle = plonger dans le cours d'eau, face au courant, un moulinet hélicoïdal, puis relever les vitesses du courant en des points nombreux sur plusieurs verticales de la section mouillée, pour calculer la vitesse moyenne. // Application ponctuelle, hors inondation.

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64 Jaugeages au moulinet : Feuille de jaugeage Rivière Station Jaugeage n Date Hélice Commentaire Heure D.. H. F.. H. Position Profondeur N T m.s -1 Commentaires

65 Jaugeages au moulinet : Dépouillement du jaugeage

66 Jaugeages au moulinet : Dépouillement du jaugeage

67 Jaugeages au moulinet : Dépouillement du jaugeage

68 SOURCES D INCERTITUDES ET ERREURS Jaugeages avec un moulinet Prendre une hélice dont on ignore l'équation Constante du saumon mal connue Mauvaise orientation de l'hélice Mauvais choix de la section Hélice ne correspond pas au moulinet Hélice ne correspond pas à la vitesse Ne pas garder la même position lors des mesures Quand on ne fait pas la correction des angles (câble et treuil) Le cercle hydrographique n'est pas bien réglé Jaugeages à l ADCP Mauvaise appréciation de la laisse (des berges non mesurées) Mauvaise appréciation de la profondeur de l'adcp Mauvais choix de taille de cellule et du nombre de cellules La stabilité du bateau lors des mesures La vitesse de déplacement du bateau Pour tous les types de jaugeages L'utilisation d'un stylo au lieu d'un crayon HB sur le terrain COMMENT MINIMISER LES ERREURS Plus on pratique, moins on fera d'erreur Plus le matériel sera en bon état, moins on fera d'erreur (entretien régulier du matériel) Plus on a de verticales, mieux on apprécie la section mouillée et moins on fait d'erreur sur la valeur du débit Plus la section est régulière, moins on fait d'erreur ERREUR LORS DU DEPOUILLEMENT Utilisation d'une mauvaise formule Oubli de prendre en compte de la constante de fond Le mauvais dessin des paraboles Le mauvais choix des échelles Le mauvais planimétrage Le mauvais choix des unités Le mauvais choix de fichier ADCP La mauvaise écriture sur le terrain L'oubli de prendre la côte à l'échelle

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70 Utilisation de lois d hydraulique fluviale en régime permanent uniforme : Il est possible d utiliser la formule de Manning-Strickler sous l hypothèse d un régime permanent, ce qui peut être considérée comme valable lorsque l on étudie un tronçon de rivière relativement court. De plus, si l on fait l hypothèse d un régime uniforme, la pente de la ligne d énergie J est égale à la pente du fond I de la rivière, ce qui permet d estimer le débit qui s écoule sur un tronçon de rivière à travers la section S Formule de Manning-Strickler, avec Q le débit, K le coefficient de Strickler, S la section mouillée, Rh le rayon hydraulique, J est la pente de la ligne d énergie et I est la pente du fond.

71 La Rugosité Formule de Manning-Strickler (écoulement uniforme): Q = S*V = S*(Rh 2/3 * i 1/2 * 1/n) S : Surface mouillée Rh : Rayon hydraulique i : Pente hydraulique (pente de la ligne d eau) n : Coefficient de Manning-Strickler K = 1/n : Coefficient de rugosité