Module de formation en Débitmétrie 1ère partie : Choix du site de jaugeage Éléments d hydraulique fluviale

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1 WMO / OMM Autorité du Bassin du Niger Projets Niger-HYCOS et Volta-HYCOS Module de formation en Débitmétrie 1ère partie : Choix du site de jaugeage Éléments d hydraulique fluviale IRD - Unité OBHI (Observatoires Hydrologiques et Ingénierie)

2 1ère partie : Choix du site de jaugeage Éléments d hydraulique fluviale 1. Définition et principe d un jaugeage 2. Le lit naturel d un cours d eau : grandeurs caractéristiques 3. Le contrôle hydraulique 4. Critères de choix d un site de jaugeage

3 1. Définition et principe d un jaugeage 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 ultrason) Suivi continu de la hauteur d eau Jaugeages : détermination de la courbe d étalonnage du cours d eau Q=f(h)

4 1. Définition et principe d un jaugeage 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)

5 2. Le lit naturel d un cours d eau : grandeurs caractéristiques Grandeurs géométriques caractéristiques Nature et stabilité du lit Le cours d eau, un système dynamique et évolutif

6 2. Le lit naturel d un cours d eau : grandeurs géométriques caractéristiques La géométrie du lit : le tracé en plan Lit en tresses : Îles et chenaux enlacés Cours d eau à forte pente et forte charge alluviale Lit en méandre: Chenaux sinusoïdaux Cours d eau à faible pente (Plaine alluviale)

7 2. Le lit naturel d un cours d eau : grandeurs géométriques caractéristiques Lit mineur et lit majeur

8 2. Le lit naturel d un cours d eau : grandeurs géométriques caractéristiques La géométrie du lit : le profil en long Grandeurs caractéristiques : Pente du fond : I = sin Ө (Ө = angle entre la droite joignant 2 seuils successifs et l horizontal) Pente superficielle : J

9 2. Le lit naturel d un cours d eau : grandeurs géométriques caractéristiques La géométrie du lit : la section transversale Grandeurs caractéristiques : Surface mouillée : S (m 2 ) Périmètre mouillé : p(m) Rayon hydraulique : Rh = S/p

10 2. Le lit naturel d un cours d eau : grandeurs géométriques caractéristiques l i l i+1 Calcul de la surface mouillée : Méthodes des trapèzes : ΔS = (l i+1 -l i ) * p i+1 +p i )/2 p i p i+1 Calcul du périmètre mouillé : théorème de Pythagore

11 2. Le lit naturel du cours d eau : nature et stabilité du lit La nature du lit Lit rocheux : Station de Kara (rivière Kara, bassin de l Oti, Togo) Lit sableux : Station de Bittou (rivière Nohao, bassin du Nakambé, BF)

12 1. 2. Le lit naturel du cours d eau : nature et stabilité du lit La nature du lit : rugosité Nature du lit Lits naturels propres à fond lisse Lits naturels propres à fond rugueux Lits naturels avec végétation n à à 10 n : Coefficient de Manning K = 1/n : Coefficient de rugosité (coefficient de Strickler) Formule de Manning-Strickler : 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)

13 2. Le lit naturel du cours d eau : nature et stabilité du lit La nature du lit : stabilité

14 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

15 2. Le lit naturel du cours d eau Le cours d eau : un système dynamique, dans le temps et dans l espace (notion de dynamique fluviale) Translation latérale des chenaux (érosion des berges) Modification des sections transversales et longitudinales (remblaiement / déblaiement) Exemple : Évolution du lit de l Allier (France) Tracé actuel Tracé de 1946

16 2. Le lit naturel du cours d eau Le cours d eau : un système dynamique, dans le temps et dans l espace (notion de dynamique fluviale) Variations de morphologie du cours d eau peuvent être provoquées par l homme : Sur-exploitation des alluvions (gravière) Endiguement Barrage Modification de l équilibre sédimentaire Conséquence sur la morphologie du cours d eau (Ex : Incision du lit) Modification de la courbe d étalonnage de la station

17 3. Le contrôle hydraulique Définition Types de contrôle Stabilité du contrôle Station de Boromo (Mouhoun, BF)

18 3. Le contrôle hydraulique : définition Définition du contrôle hydraulique L écoulement dans une section limnimétrique se trouve sous contrôle lorsque la géométrie d un bief restant invariable, un même débit s écoule toujours sous la même hauteur 2 types de contrôle : Channel control (écoulement pseudo-uniforme) Section de contrôle (écoulement critique)

19 3. Le contrôle hydraulique : types de contrôle Channel control (écoulement pseudo-uniforme) : Conditions géométriques et hydrauliques : Bief de géométrie régulière Débit suffisant pour occuper le lit apparent sur toute sa largeur Pente suffisante pour assurer un bon transit du débit Dans ces conditions, il s établit un régime d écoulement pseudo-uniforme : Les caractéristiques de l écoulement sont identiques d une section à l autre (même surface mouillée, même hauteur d eau, même vitesse,.) La pente de la ligne d eau est à peu près la même que la pente du fond

20 3. Le contrôle hydraulique : types de contrôle Channel control (écoulement pseudo-uniforme) : Formule de Manning Strickler : Q = S*V = S*(Rh 2/3 * i 1/2 * 1/n) Rh : rayon hydraulique i : pente hydraulique 1/n : coefficient de Manning Relation univoque Q = f(h échelle ) Avec i ~ pente du fond (écoulement uniforme)

21

22 3. Le contrôle hydraulique : types de contrôle Section de contrôle (écoulement critique) Régime critique s établit au droit de la section : Q = fonction univoque de h amont : le débit ne dépend que de la hauteur d eau en amont de la section de contrôle (pas d influence de l aval)

23 Différents types de section de contrôle : A) seuil, B) rétrécissement, C) changement de pente

24 3. Le contrôle hydraulique : stabilité Stabilité du seuil de contrôle

25 3. Le contrôle hydraulique : stabilité Stabilité du seuil de contrôle

26 3. Le contrôle hydraulique Seuils de contrôle artificiels (déversoirs)

27 3. Le contrôle hydraulique En résumé: Le contrôle hydraulique un écoulement dans un bief s effectue sous contrôle hydraulique lorsqu à chaque débit, correspondent des caractéristiques hydrauliques bien définies, en particulier une même hauteur d eau; le contrôle peut être localisé dans une section de contrôle ou peut, au contraire s exercer par un tronçon du lit (Channel-Control); la qualité fondamentale d un bon contrôle est sa permanence: dans l espace par son efficacité pour tous les débits; dans le temps par la stabilité de ses caractéristiques géométriques et hydraulique. Instabilité du contrôle Détarage de la station

28 4. Critères de choix d un site de jaugeage 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

29 4. Critères de choix d un site de jaugeage 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

30 4. Critères de choix d un site de jaugeage Sensibilité de la 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 ΔQ Δh ou ΔQ/ Q Δh

31 4. 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

32 Quelques liens Hydrométrie : : un très bon cours d hydrométrie en ligne, sur le site de l USGS U.S. Geological Survey (en anglais!) : le site de l unité IRD-OBHI : le site de l Ecole Polytechnique Fédérale de Lausane (EPFL) (E.N.Pont et Chaussées-CEREVE) Quelques constructeurs de matériel hydrologique (sur le Net ) : OTT (Allemagne) SEBA (Allemagne) Eijkelkamp Sutron (USA) RD Instruments (ADCP)

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