Hydrométrie. Guillaume Nord Avril 2015

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1 Hydrométrie Guillaume Nord Avril 2015 Quelques définitions pour commencer Le débit : Le débit est le volume d eau traversant une section transversale du cours d eau pendant une unité de temps. On l exprime en m 3 /s dans le Système International (SI) d unités. Parfois pour les faibles débits, on utilise le l/s. Les résultats de mesure de débits s écrivent avec trois chiffres significatifs. Ceci s explique compte tenu de la précision que l on peut espérer atteindre dans les conditions normales de mesures De 0 à 1 m 3 /s: on met trois chiffres après la virgule (ex : m 3 /s) De 1 à 10 m 3 /s: on met deux chiffres après la virgule (ex : 4.57 m 3 /s) De 10 à 100 m 3 /s: on met un chiffre après la virgule (ex : 45.7 m 3 /s) De 100 à 1000 m 3 /s: on met la valeur entière : (ex : 457 m 3 /s) Au-dessus de 1000 m 3 /s: on arrondit à la dizaine (ex : 4570 m 3 /s). Le jaugeage : Le jaugeage est une mesure instantanée du débit à travers la section d un cours d eau. Ce débit instantané est en réalité mesuré sur une période allant de quelques minutes à plus d une heure, typiquement, selon la méthode de mesure et la taille du cours d eau. On cherchera à se rapprocher le plus possible des conditions de régime hydraulique permanent (débit constant sur toute la période de mesure). Cette condition sera vérifiée en surveillant la constance du niveau d eau pendant la durée du jaugeage. La station hydrométrique à relation hauteur-débit : Une station hydrométrique peut être définie comme l ensemble des dispositifs utilisés en une section du cours d eau pour permettre d en déterminer le débit à tout instant à partir de l enregistrement en continu du niveau d eau référencé dans un repère quelconque matérialisé par l échelle limnimétrique, à condition qu il existe une relation unique entre le niveau et le débit. En réalité, très peu de stations hydrométriques disposent d une relation unique entre le niveau d eau et le débit qui reste valide dans le temps, à l échelle de plusieurs années ou décennies. Pour beaucoup de stations, il existe bien une relation unique entre le niveau d eau et le débit mais cette relation change au cours du temps, c est-à-dire d une crue à l autre ou d une saison à l autre, sous l effet des modifications de la morphologie du lit de la rivière (érosion, dépôt dans le lit et sur les berges) ou de la présence de végétaux dans le lit mineur et le lit majeur. Dans quelques cas, comme les rivières à fond mobile, il n existe pas de relation unique entre le niveau d eau et le débit car la bathymétrie change en permanence à l échelle de la crue. Pour pouvoir estimer le débit en continu dans ces conditions, il est utile de compléter le dispositif de mesure du niveau d eau par un dispositif de mesure de la pente de la ligne d eau et/ou de la vitesse de surface. 1

2 Figure 1 : Exemple d instruments dans une station hydrométrique La courbe d étalonnage ou courbe de tarage : La relation unique entre le niveau d eau et le débit est ce qu on appelle la courbe d étalonnage ou courbe de tarage. L établissement de la courbe de tarage requiert l exécution de séries de jaugeages à des dates bien choisies pour que la variété des débits mesurés permette le tracé d une courbe Q(h) convenable sur une gamme étendue de niveau d eau. 10 ou 15 jaugeages bien répartis sur toute la gamme de cote à l échelle limnimétrique (en période d étiage, en période de moyennes eaux et en période de crue) sont nécessaires. L établissement de cette courbe de tarage peut être complété par la mise en place d une modélisation hydraulique du tronçon de rivière qui encadre la section de mesure et par une analyse des contrôles hydrauliques (seuil/radier) qui prévalent pour les différentes gammes de niveau d eau rencontrées. Par la suite, des jaugeages de contrôle doivent être faits pour déceler des détarages éventuels. La chronique des débits : La transformation du niveau d eau en débit se fera après que toutes les corrections nécessaires et validations aient été effectuées tant pour les mesures du niveau d eau que pour la courbe de tarage. A chaque niveau d eau relevé, on fera correspondre une valeur de débit déduite de la relation hauteur-débit de la station. Si cette relation change au cours du temps, on associera à chaque relation une période d application caractérisée par une date de début et une date de fin. 2

3 TP : jaugeage par exploration du champ des vitesses et jaugeage par dilution au sel avec injection instantanée Introduction Dans ce TP, nous allons aborder deux méthodes de jaugeages à proximité d une station hydrométrique. Nous allons effectuer un jaugeage par exploration du champ des vitesses et un jaugeage par dilution d un traceur. En général, le choix d une méthode de jaugeage se fait en fonction du temps et du matériel dont on dispose, de la précision recherchée, du type de rivière, de la gamme de débit au moment du jaugeage et de contraintes pratiques comme l accès à la rivière ou l exposition au risque. L expertise du jaugeur oriente le choix d une méthode plutôt qu une autre. En réalisant deux jaugeages par des méthodes totalement indépendantes, nous pourrons avoir un regard critique sur la mesure et se faire une idée de l incertitude associée à chaque méthode. En outre ces méthodes sont couramment utilisées sur le terrain par les équipes des services opérationnels (Service de Prévision des crues, DREAL, ONEMA), des compagnies d hydro-électricité (EdF, CNR ) et des hydrologues. Il est important de garder en tête que ces mesures viennent alimenter une série de jaugeage qui sert à l établissement de la courbe de tarage de la station hydrométrique, toutes les informations relatives à la mesure sont donc extrêmement précieuses (photos du site, date et heure du début et de la fin de la mesure, conditions hydrologiques du moment ). Estimation rapide du débit de la rivière Quelle que soit la méthode de jaugeage appliquée, il est utile voire nécessaire d avoir une estimation du débit et de caractériser les gammes de vitesse, profondeur d eau et largeur «débitante» de la section. Jaugeage par la méthode du flotteur : Dans le cas du jaugeage par la méthode du flotteur, on utilise la formule empirique suivante : 2 Q S V S 3 Avec Q : débit [m 3 /s], S : surface de la section mouillée [m 2 ] et VS la vitesse de surface [m/s]. La vitesse de surface est généralement mesurée en injectant des flotteurs en surface en différents points de la rivière (près des berges et au centre) sur un tronçon de rivière sensiblement rectiligne et en chronométrant le temps que mettent les flotteurs pour parcourir une distance connue. Une autre façon de mesurer la vitesse de surface est d utiliser un radar de vitesse de surface qui repose sur le principe de l effet Doppler. La section mouillée est obtenue en faisant le produit de la largeur de la rivière par sa profondeur moyenne. Il convient d être vigilant car il est fréquent de surestimer la section mouillée. La largeur de la rivière doit se limiter à la largeur effective qui contribue à la section débitante, les zones proches des berges par exemple sont souvent caractérisées par des vitesses d écoulement quasi nulles et leur contribution au débit total peut être négligeable. 3

4 Formule de Manning-Strickler Dans le cas du régime uniforme, la formule de Manning-Strickler propose une relation entre le niveau et le débit : 2 Q kstrsr 3 h I f Avec Q : débit [m 3 /s], kstr : coefficient de Strickler, S : surface de la section mouillée [m 2 ], S( y) Rh : rayon hydraulique [m] où R h, If : pente de la ligne d énergie, y : niveau de la P( y) surface libre [m], P : périmètre mouillé [m]. Méthode de jaugeage par exploration du champ des vitesses Principe de la méthode : La formule générale du débit est donnée par la relation : Q S V Avec Q : débit [m 3 /s], S : surface de la section mouillée [m 2 ] et V : vitesse moyenne du fluide [m/s]. La figure 2 donne une représentation de la distribution des vitesses dans la section de rivière. Le débit est égal au volume d eau par unité de temps contenu dans le trièdre curviligne délimité par la droite AB et les courbes AMB (enveloppe des vecteurs vitesses des particules fluides en surface) et ANB (section transversale du lit de la rivière dans le plan vertical passant par AB). Figure 2 : Représentation de la distribution des vitesses dans la section de rivière Supposons une surface élémentaire ds dp dl Avec dp élément de la profondeur et dl élément de la largeur En considérant la vitesse v constante au niveau de cette surface élémentaire on peut écrire le débit élémentaire sous la forme : dq v ds 4

5 Le débit total s écrit alors : Avec S la surface de la section Q vds vdpdl S S Ou encore : Q Avec P la profondeur et L la largeur de la section à travers laquelle s écoule le débit Q. P vdp Cette dernière expression indique qu on peut définir une vitesse moyenne sur toute la profondeur d une verticale. On obtient ainsi un débit élémentaire pour chaque verticale appelé débit unitaire pu [m 2 /s]. Ensuite par intégration du débit unitaire sur toute la largeur de la rivière ou sommation discrète du débit unitaire sur chaque verticale multipliée par la largeur de l élément associé, on obtient le débit total. On comprend ainsi que le débit est déterminée par la mesure des vitesses en plusieurs verticales de la section de rivière. Matériel : Un courantomètre (ou vélocimètre) est un appareil de mesure permettant de déterminer la vitesse en un point de l écoulement. Le principe de mesure d un courantomètre peut être mécanique, électro-magnétique ou acoustique à effet Doppler. Pour le jaugeage à pied, il est généralement monté sur une perche graduée et déployé sur des verticales réparties en travers de la section de mesure. Dans le cadre de ce TP, nous allons travailler avec un courantomètre mécanique (micromoulinet à hélice). Le moulinet est composé d un élément fixe appelé «corps du moulinet» comportant un axe horizontal sur lequel tourne une hélice. La rotation de l hélice produit des signaux électriques (impulsions) qui sont détectés et comptabilisés par un dispositif électronique que l on connecte au corps du moulinet. Lors des mesures, le corps du moulinet doit être monté sur un support. Le moulinet étant immergé dans le cours d eau, l hélice pointée vers l amont de l écoulement, la vitesse de rotation de l hélice est liée, par une relation connue, à la vitesse locale de l écoulement. Une hélice est caractérisée par son diamètre et son pas hydraulique. Le pas hydraulique est la distance parcourue par l eau pour générer un tour d hélice. La relation entre la vitesse de l écoulement et la vitesse de rotation de l hélice est appelée «courbe d étalonnage» de l hélice. Pour une gamme de vitesse déterminée, la courbe d étalonnage est sensiblement linéaire. Pour une hélice donnée, on aura donc une ou plusieurs droites d équation de la forme suivante : v ah nt bh Avec v : vitesse du courant [m/s], ah : pas hydraulique de l hélice [m], nt : nombre de tours d hélice par seconde et bh : vitesse dite de frottement ou vitesse de démarrage [m/s]. Les coefficients ah et bh sont déterminés expérimentalement pour chaque appareil. Les constructeurs livrent leurs appareils avec un certificat d étalonnage sur lequel figure(nt) la ou les équations à utiliser pour calculer la vitesse. L dl 5

6 Chaque hélice doit être utilisée dans la gamme de vitesse pour laquelle elle est prévue. Il faut donc s assurer que la vitesse de l écoulement est comprise dans les limites indiquées par le constructeur. En particulier, cette vitesse doit être suffisante pour faire tourner l hélice dans de bonnes conditions (la vitesse minimale conseillée doit être au moins égale à deux fois la vitesse de démarrage du moulinet). Avec les moulinets couramment employés, la rotation de l hélice génère des signaux électriques par des contacts mécaniques ou magnétiques. Les impulsions sont détectées et comptabilisées par un compteur électronique que l on connecte sur le corps du moulinet. Habituellement, le compteur permet de présélectionner, soit le nombre d impulsions à mesurer, soit le temps pendant lequel doit durer la mesure. La fréquence de rotation (nombre de tours par seconde) de l hélice doit rester inférieure à la capacité de fonctionnement correct du compteur indiquée par le constructeur. Les différentes hélices à disposition Coefficients à retenir pour les hélices du micromoulinet OTT utilisé dans ce TP : hélice pas (m) formules (V en m/s) minimum maximum n pour 0.7<n<12.5 t/s, V= n pour 0.2<n<1.9 t/s, V= n n pour 1.9<n<4.7 t/s, V= n pour 4.7<n<13 t/s, V= n pour 0.7<n<3.4 t/s, V= n n pour 3.4<n<8.7 t/s, V= n n pour 0.8<n<2.2 t/s, V= n pour 2.2<n<9 t/s, V= n gamme de vitesse (m/s) Remarque : le pas, c'est la précision de l'hélice. L'hélice 1 a un pas de 0.05m, ce qui signifie qu'elle fait 1 tour lorsque 5 cm d'eau sont passés à travers. La 2-3 a un pas de 10 cm. Il faut donc faire passer 10 cm d'eau à travers pour lui faire faire 1 tour. Elle est donc 2 fois moins précise que l hélice 1. Avec les moulinets, on fait du comptage sec. On arrondit donc toujours le nombre de tours à l'entier inférieur. Imaginons qu'on a une vitesse de 5 cm/s. Si on mesure pendant 20 s, on a donc 1 m d'eau qui passe. Avec l'hélice 1, cela fait 20 tours. Avec l'hélice 2-3, cela fait 10 tours. Une erreur de +/- 1 tour représente donc 5% d'erreur avec l'hélice 1 et 10% d'erreur avec l'hélice 2-3. Liste de matériel à prévoir pour le jaugeage : micromoulinet + réglet 1 m décamètre chronomètre outils : pelle, pioche, piquets pour l aménagement et la matérialisation de la section fiche de terrain pour le relevé des observations et des mesures bottes ou waders matériel de sécurité spécifique aux milieux aquatiques radar SVR appareil photo 6

7 Mode opératoire : Recommandations générales Le bief doit être rectiligne sur une distance suffisante (au moins deux fois sa largeur à l amont de la section de mesure et une fois sa largeur à l aval) ; le régime hydraulique doit être permanent (débit constant) pendant toute la durée de la mesure. Vérifier que le niveau d eau, la bathymétrie et la position des ouvrages ne varient pas au cours du jaugeage ; les moulinets ne doivent pas être utilisés lorsque des corps flottants ou immergés risquent de perturber la rotation de l hélice ; le courantomètre doit être orienté correctement (face au courant, axe du courantomètre maintenu perpendiculaire au décamètre) et conserver une position horizontale stable pendant toute la durée de la mesure ; la perche doit être maintenue rigoureusement en position verticale et l on ne doit pas lire les graduations sur sa face amont (de préférence sur le côté). Choix de l emplacement de mesure L emplacement de mesure choisi doit, autant que possible, présenter les caractéristiques suivantes : le bief doit être rectiligne et présenter une section et une pente uniformes ; l écoulement doit être contenu dans un ou plusieurs chenaux aux limites stables ; l emplacement doit être éloigné de tout coude ou de tout obstacle, naturel ou artificiel, susceptible d engendrer une perturbation de l écoulement (les filets liquides doivent être parallèles) ; les emplacements situés dans un écoulement convergent, et encore plus dans un écoulement divergent sur une section de mesure oblique, doivent être évités ; la profondeur de l eau doit être suffisante pour assurer l immersion effective des appareils de mesure utilisés, sans risque de frottements sur le fond ; Dans la pratique, il est difficile de respecter l ensemble des conditions idéales pour le choix de la section. D où l importance de bien renseigner les fiches de terrain sur les conditions de mesure (éventuellement, prendre des photos). Aménagement du bief de mesure Dans la plupart des cas, il est nécessaire, avant de commencer la mesure, de réaliser des petits travaux d aménagement sur le bief choisi, afin de se rapprocher au maximum des conditions optimales. Il n existe pas de recette universelle pour la mise en œuvre de ces opérations car les conditions de terrain sont trop variées. Il faut donc s adapter aux spécificités rencontrées, le but étant d obtenir un chenal répondant au mieux aux diverses recommandations énoncées (en particulier, vitesses parallèles entre elles et perpendiculaires à la section transversale du cours d eau, section de mesure bien définie et régulière). Distribution des verticales et points de mesure La méthode de jaugeage par exploration du champ des vitesses revient à échantillonner la géométrie de la section (profondeurs) et les vitesses sur un semis de points distribués à travers la section du cours d eau (Figure 3). Cet échantillonnage doit être suffisamment dense et judicieusement réparti pour que le calcul du débit total donne une approximation acceptable du débit réel. Les points de mesure se situent à différentes hauteurs sur des verticales de mesure réparties dans la largeur de la section, et sur lesquelles la profondeur est mesurée. 7

8 Figure 3 : Exemple de répartition des points de mesure dans la section de jaugeage Dans le cas de l application des formules algébriques de 1 à 6 points, les positions des points de mesure sur chaque verticale sont imposées et doivent absolument être respectées. Le tableau 1 donne la position des points de mesure sur la verticale selon le nombre de points choisi, conformément à la norme NF EN ISO 748 (2007). Tableau 1 : Position des points de mesure sur la verticale selon le choix du nombre de points Il est difficile de donner des règles universelles sur le placement et le nombre des verticales. Il convient cependant toujours de chercher à décrire au mieux les portions de la section où les variations de profondeur et/ou de vitesse sont rapides ou irrégulières, surtout si ces portions de section contribuent significativement au débit total. En effet, les méthodes de dépouillement supposent généralement une variation linéaire de la géométrie du fond et de la vitesse moyenne entre deux verticales de mesure. Il convient donc de rapprocher les verticales aux endroits où la variation des vitesses dans le sens horizontal est grande et au droit des discontinuités brusques et importantes de la cote du fond. Recommandations pour une section large (type section naturelle de cours d eau alluvial) : utiliser au moins 11 à 15 verticales privilégier la méthode algébrique à trois points sur la verticale appliquer la méthode à un point lorsque la profondeur totale sur une verticale est trop faible Protocole de mesure : Mesure des distances entre les verticales La position des bords de la section et des verticales de mesure doit être repérée le long de la section de mesure dans un même repère. En général, ces abscisses sont mesurées à l aide d un décamètre tendu en travers de la section de mesure. Ne pas oublier de spécifier sur la fiche de terrain les abscisses des rives, en indiquant la rive droite ou la rive gauche du cours d eau. Mesure des profondeurs et hauteurs des points de mesure Ces distances (position du courantomètre et profondeur selon chacune des verticales) sont déterminées à l aide de la perche support, soit par lecture directe, soit en utilisant le dispositif de repérage du courantomètre. Dans ce dernier cas, la surface du plan d eau est repérée en positionnant l axe du capteur au niveau de la surface de l eau (Figure 4.a). Une fois la profondeur mesurée, le courantomètre est positionné au niveau des différents points de mesure des vitesses (Figure 4.b). La position de ces points est déterminée en tenant compte de la profondeur mesurée et du nombre de points que l on désire réaliser sur la 8

9 verticale. Il est pratique de positionner chaque point par rapport au précédent en remontant vers la surface. (a) (b) Figure 4 : Mesure des distances sur la verticale depuis le fond Mesure des vitesses ponctuelles La vitesse de l écoulement perpendiculaire à la section de jaugeage est relevée au niveau de chaque point choisi sur la section. Pour réduire l incertitude à un niveau acceptable, le courantomètre doit être exposé pendant une durée minimale, en fonction du type de capteur et de la gamme de vitesse mesurée. Pour un courantomètre mécanique (moulinet), on respectera idéalement au moins 50 impulsions et au moins 30 secondes. Le nombre de tours d hélice est déterminé à l aide d un compteur d impulsions connecté sur le corps du moulinet. Analyses des mesures : 1 ère méthode : Pour chaque verticale explorée, tracer V en fonction de la profondeur. Faire figurer le fond de la rivière. La figure 5 donne un exemple de profil de vitesse mesuré dans une verticale par un système ADV (Acoustic Doppler Velocimeter). Comment raccorder le profil obtenu au fond? Comment extrapoler le profil jusqu à la surface libre? Où se situe la vitesse maximale? Intégrer le profil de vitesse sur la verticale et en déduire une vitesse moyenne sur la verticale. N oubliez pas que les vitesses sont nulles au niveau de chaque rive et que votre première et votre dernière verticale sont situées à quelques centimètres de chaque rive. Calculer le débit unitaire pour chaque verticale. Intégrer le débit unitaire sur la largeur de la section pour calculer le débit total. Tracer le profil géométrique de la section en faisant figurer le niveau de la surface libre et représenter le débit unitaire en fonction de la distance sur le même graphique en utilisant le deuxième axe des ordonnées. 2 ème méthode : Appliquer la formule algébrique de la mesure à 3 points (norme NF EN ISO 748, 2007) pour le calcul de la vitesse moyenne dans chaque verticale : V moy 0.25 V 0.8 2V 0.4 V0.2 Calculer le débit unitaire pour chaque verticale. Intégrer le débit unitaire sur la largeur de la section pour calculer le débit total. Comparer le résultat avec la méthode précédente. 9

10 Essayer d évaluer l incertitude sur cette mesure du débit elevation (m) velocity profile water surface bed velocity (m/s) Figure 5 : Profil de vitesse mesuré par ADV pendant une crue 10

11 Méthode de jaugeage par dilution au sel (NaCl) avec injection instantanée Généralités : La méthode de jaugeage par dilution consiste à injecter en un point du cours d eau un traceur en solution, et à suivre l évolution de sa concentration au niveau d une section située à l aval. L injection s effectue soit de façon quasi instantanée, soit de façon continue à débit constant. Le suivi de la concentration au point de mesure aval peut se faire soit par une série de prélèvements d échantillons à doser ultérieurement au laboratoire, soit à l aide d un capteur enregistrant un paramètre physique (conductivité électrique, fluorescence) variant linéairement avec la concentration du traceur utilisé. Seule la méthode par injection instantanée et avec capteur enregistreur est décrite dans ce TP car elle présente certains avantages : mise en œuvre assez simple (notamment, il n y a pas besoin d équipement particulier pour l injection) ; faible quantité de traceur injectée, donc moins de risques pour la qualité de l eau et coût réduit ; pas de prélèvements en continu, d analyse cinétique des échantillons, ni d analyse spécifique en laboratoire. La méthode par dilution est particulièrement adaptée aux torrents de montagne sur lesquels le brassage est important, et pour lesquels les méthodes par exploration du champ de vitesses sont souvent inadaptées. Cette technique est complémentaire de la méthode par exploration du champ des vitesses. Principe de la méthode : Le principe de la mesure consiste à injecter dans la rivière de façon instantanée une quantité connue de sel (que l on a préalablement dissous dans un volume d eau de rivière prélevé dans la même zone) et à mesurer le passage du nuage salé à l aval (Figure 6). Cette mesure suppose qu il y a un mélange parfait de la solution injectée dans tout l écoulement de la rivière. On suppose en effet qu à l endroit de la mesure la concentration en sel est homogène dans toute la section de la rivière. Sinon la mesure ponctuelle de la conductivité n est pas représentative. Quelques hypothèses doivent être vérifiées pour mettre en œuvre cette méthode : H1 : le débit de la rivière Q est constant lors du jaugeage (régime permanent) H2 : la masse de traceur est conservée au cours du jaugeage (pas de pertes ou d apports de traceur dans la rivière) H3 : la condition de bon mélange est vérifiée i.e. le point de prélèvement est suffisamment à l aval du point d injection pour que la concentration C2m soit homogène dans la section (figure 1) Remarque : il n est pas nécessaire de connaître avec précision la concentration C1 pour cette méthode. La connaissance de la masse M de sel injectée suffit. 11

12 Figure 6 : Injection et évolution du nuage de traceur dans la rivière La distance entre le point d injection et le point de mesure, appelée «longueur de bon mélange», dépend de la vitesse de l eau et de la turbulence : plus ces deux grandeurs sont importantes, plus la diffusion est importante. Pour la vitesse, c est principalement la pente, le frottement et la largeur de l écoulement qui sont sensibles. Pour la turbulence, c est la rugosité du fond et la topographie du lit (seuils, élargissements, resserrements ). Choix du traceur Dans la pratique, les traceurs utilisés sont des corps chimiques qui doivent satisfaire au mieux les conditions suivantes : bonne stabilité chimique ; grande solubilité dans l eau ; absence d absorption ou d adsorption (par les sédiments, les matières en suspension, la végétation, etc.) ; absence de toxicité aux concentrations pratiquées ; possibilité de dosage à faible concentration ; présence en faibles quantités dans les eaux où s effectue la mesure ; coût peu élevé (compte tenu de la quantité nécessaire). Les traceurs les plus utilisés sont les traceurs ioniques (sels minéraux) et les traceurs fluorescents (rhodamine WT, fluorescéine). Les traceurs utilisés et leurs concentrations doivent être compatibles avec la législation concernant le déversement occasionnel et de courte durée de substances étrangères dans les eaux naturelles. Dans le cas de la conductimétrie, la conductivité naturelle de l eau de la rivière n est généralement pas négligeable, ce qui conduit à injecter une quantité suffisante de sel pour que les variations de conductivité soient décelables et significatives. L utilisation de ce procédé est donc réservée à la mesure des petits débits (typiquement < 5 m 3 /s) afin que la quantité de sel injectée ne soit pas trop importante. Matériel : Les conductimètres sont utilisés pour suivre la conductivité électrique du liquide, qui est proportionnelle à la concentration en sels minéraux, pour les faibles concentrations. Cet effet est particulièrement sensible pour le chlorure de sodium (NaCl). 12

13 Liste de matériel à prévoir pour le jaugeage : seau sel fiche de terrain pour le relevé des observations et des mesures carte IGN fluoréscéine 2 échantillons en plastique d une capacité de 1 l conductimètres enregistreurs : WTW sondes ; WTW sonde (ENSE3) décamètre bidon 10 l pour ramener de l eau de rivière au laboratoire si l étalonnage ne se fait pas sur le terrain bottes ou waders matériel de sécurité spécifique aux milieux aquatiques appareil photo chronomètre balance Remarque : pour ce qui est du sel on peut préparer des doses unitaires de 25 g, 50 g, 100 g, 200 g au laboratoire avant le TP, le sel ayant été préalablement séché à l étuve. Il est important de choisir toujours le même type de sel (même marque, même modèle). Dans notre cas, nous choisissons le sel fin Iodé «La Baleine» en paquet de 500 g et 1000 g. Liste de matériel à prévoir pour l étalonnage : éprouvette graduée de 500 ml 2 échantillons en plastique d une capacité de 1 l 1 pipette en plastique 10 ml + 1 poire 1 pissette en plastique petits sachets en plastique contenant 1g de sel «La Baleine» préalablement pesé au laboratoire avec une balance de précision. papier essuie-tout 1 feutre pour écrire sur les échantillons en plastique Mode opératoire : 1) Choix du site pour faire le jaugeage Sélectionner un tronçon sans apport latéral, sans zone de piégeage du sel («zones mortes» ou zones encombrées de végétation), où le brassage, notamment latéral, est important (blocs rocheux, méandres, vitesses rapides, etc.). La longueur du tronçon dépendra de ces 2 derniers critères. Il est recommandé de noter la localisation exacte des points d injection et de mesure, ainsi qu une description de la section d écoulement en ces points et sur l ensemble du parcours (largeur, profondeur, type d écoulement). Si possible, ces indications seront complétées par des photos. 2) Détermination de la «longueur de bon mélange» expérimentalement Pour estimer la longueur de bon mélange, on injecte un colorant dans l eau (le plus souvent de la fluoréscéine). On observe la progression du nuage vers l aval et on choisit la distance à partir de laquelle le mélange semble homogène dans toute la section de la rivière. Cette méthode permet aussi de mettre en évidence les éventuelles zones mortes qui pourraient s avérer gênantes. On estime aussi le temps de parcours entre le point d injection et la section choisie. On peut alors estimer la vitesse moyenne de l eau entre ces deux points. Il faut renouveler l expérience jusqu' à trouver un tronçon de rivière adapté à la méthode. 13

14 3) Détermination de la quantité de sel à injecter Pour déterminer la masse de sel M [g] à injecter, on se base sur la relation suivante : M s Cdétection T Q estimé Avec Cdétection [g/l] : la limite de détection du sel dans la rivière par le conductimètre correspond à une concentration de l ordre de 15 mg/l de sel. T [s] : temps de parcours entre le point d injection et la section où la conductivité est mesurée Qestimé [L/s] : débit obtenu par une estimation rapide du débit de la rivière. s : coefficient de sécurité pris arbitrairement égal à 2 pour permettre de compenser les éventuelles erreurs liées à l estimation grossière du débit dans la rivière. Protocole de mesure : 1) Mesure du «bruit de fond géochimique» au niveau du point d injection On mesure la valeur de la conductivité de l écoulement à l endroit où on va effectuer l injection avant l injection. Cette valeur constitue le «bruit de fond géochimique» de l eau de rivière, en l absence d injection artificielle de sel. 2) Contrôle des conditions d écoulement avant le jaugeage Noter l heure et lire la hauteur d eau sur l échelle limnimétrique ou prendre un repère visuel (un rocher qui trempe partiellement dans l eau) pour contrôler l évolution du niveau de l eau au cours du jaugeage. 3) Prélèvement d un échantillon d eau de rivière à l amont du point d injection du sel Cet échantillon servira à calibrer la relation entre la conductivité et la concentration en sel. Il est très important de rincer préalablement 3 fois l échantillon avec l eau de la rivière. Il faut noter sur l échantillon le lieu du jaugeage, la date et l heure. 4) Injection du sel et mesure du nuage de conductivité Prélever de l eau de la rivière à l aide du seau. Verser dans le seau la masse M de sel déterminée précédemment et bien mélanger pour dissoudre tout le sel. Une fois que l enregistrement de la conductivité est bien paramétrée et enclenchée, injecter l eau du seau dans le cours d eau de façon instantanée et en essayant de couvrir le plus de largeur possible du cours d eau. A l aval, on suit l évolution temporelle de la conductivité pendant tout le temps de passage du nuage de sel (voir Figure 6) au minimum à l aide de 2 sondes de conductivité placées à proximité des deux rives de la section pour pouvoir vérifier l hypothèse de bon mélange dans la section qui est certainement l hypothèse la plus forte. Si on dispose de davantage de sondes de conductivité, on peut en outre en disposer à différentes distances le long du tronçon pour vérifier encore plus précisément cette hypothèse de bon mélange. Les conductimètres doivent être programmés avec un pas de temps d acquisition adapté aux conditions de la mesure. Le nuage de conductivité doit être échantillonné avec suffisamment de points (au moins 30 points) pour avoir une courbe bien continue. Il faut éviter les courbes en forme de triangle où le pic de conductivité est décrit par seulement quelques points. Si tel est le cas, il faut renouveler le jaugeage et réduire le pas d acquisition de l appareil (à 1 s par exemple) ou alternativement augmenter la distance entre le point d injection et le point de mesure de la conductivité. 14

15 Suivre sur le conductimètre la valeur du pic de conductivité et son temps d arrivée pendant le jaugeage. Le pic doit être au moins 30% plus élevé que la valeur du bruit de fond géochimique. Si ce n est pas le cas, refaire un jaugeage en injectant plus de sel. 5) Contrôle des conditions d écoulement à la fin du jaugeage Noter l heure et lire la hauteur d eau sur l échelle limnimétrique ou prendre un repère visuel (un rocher qui trempe partiellement dans l eau) en fin de jaugeage. 6) Prélèvement d un échantillon d eau de rivière à l amont du point d injection du sel Cet échantillon servira à calibrer la relation entre la conductivité et la concentration en sel. Il faut noter sur l échantillon le lieu du jaugeage, la date et l heure. Prélever aussi de l eau de rivière avec le bidon de 10 l si l étalonnage ne se fait pas au bord de la rivière. Ceci permettra de maintenir plus longtemps l eau des prélèvements à une température proche de celle du milieu naturel. 7) Mesure du «bruit de fond géochimique» au niveau du point d injection On mesure à nouveau la valeur de la conductivité de l écoulement à l endroit où on a effectué l injection après avoir terminé le jaugeage. Il est ainsi possible de repérer une éventuelle variation du bruit de fond géochimique au cours de l expérience, notamment si l on effectue le jaugeage pendant une crue. Remarque générale : Faire 2 à 3 jaugeages en suivant ce protocole. Il est important de retrouver une cohérence entre les différentes répétitions. Etalonnage du conductimètre sur le terrain La conductivité étant une fonction linéaire de la teneur en ions, on établit la relation liant la concentration en sel et la conductivité électrique de l eau. Cette relation est linéaire en général dans la gamme de conductivité que nous considérons. Il faut tout d abord définir les limites de conductivité atteintes pendant le jaugeage : limite basse (bruit de fond géochimique) et limite haute (pic de conductivité lors du passage du nuage). L objectif est de reproduire cette gamme de conductivité en travaillant avec de l eau prélevée dans la rivière au moment du jaugeage et en y injectant progressivement des petites quantités de sel de façon à avoir un nombre suffisant de points pour faire une régression linéaire entre concentration en sel et conductivité. En premier lieu, on rince tout le matériel (y compris les bouchons) plusieurs fois avec l eau de la rivière. On utilise l éprouvette graduée pour prélever 0.5 l d eau de rivière provenant de chacun des 2 échantillons prélevés en début et fin de jaugeage. On s aide de la pissette pour finir de remplir l éprouvette graduée. On obtient ainsi 2 échantillons de 0.5 l d eau de rivière. Dans l un des 2 échantillons, on ajoute 1 g de sel à partir du sachet pré-rempli au laboratoire. On note «solution mère» sur cet échantillon de 0.5 l d eau et «calibration» sur l autre échantillon de 0.5 l d eau. On referme le bouchon de l échantillon «solution mère» et on agite. On aménage une petite piscine fermée (d une profondeur égale à la moitié de la hauteur des échantillons) près de la berge où l on place les 2 échantillons pour qu ils restent à la même température que celle de l eau de la rivière. On fait une première mesure de conductivité dans l échantillon «calibration» avec les 2 sondes ayant servi à la mesure du passage du nuage de 15

16 sel dans la rivière. Ceci permet de mesurer la conductivité de base ou «bruit de fond géochimique» de l eau de rivière qu on appellera Ec0. La valeur mesurée doit donc être égale à celle enregistrée en début et fin de passage du nuage de sel. On prélève quelques ml de la solution «mère» à l aide de la pipette et de la poire que l on vide dans l échantillon «calibration». On referme le bouchon de l échantillon «calibration» et on agite. On mesure à nouveau la conductivité dans l échantillon «calibration» avec les 2 sondes ayant servi à la mesure du passage du nuage de sel dans la rivière. On appellera cette conductivité Ecf. L objectif est de couvrir l ensemble de la gamme de conductivité mesurée lors du passage du nuage de sel à l aide de 5 ou 6 points à peu près équidistants. On ajuste donc le nombre de ml de «solution mère» à injecter en fonction de la gamme de variation de conductivité que l on veut couvrir et on renouvelle l opération 5 ou 6 fois. Analyses des mesures : 1) Etalonnage du conductimètre On définit les variables suivantes : C0 la concentration en sels minéraux présents naturellement dans la rivière, caractérisant le bruit de fond géochimique. Mi la masse de NaCl ajoutée dans la solution «mère», ici 1 g. Vi le volume initial de la solution notée «mère», ici 0.5 l. M i Ci la concentration en NaCl de la solution «mère», ici 2 g/l. Vi Cf la concentration totale en NaCl et en sels minéraux présents initialement dans la rivière à l état naturel Va le volume de solution «mère» prélevé à la pipette et injecté dans la solution «calibration» ΣVa le volume cumulé de solution «mère» injecté dans la solution «calibration» Vj le volume initial de la solution notée «calibration», ici 0.5 l. Par une démonstration mathématique, on peut montrer que : Va C f C 0 Ci Va Vj Pour chaque étape de la calibration, calculer ΣVa, le volume cumulé de solution «mère» injecté dans la solution «calibration», puis calculer la valeur Cf-C0 correspondante et enfin C C f Ec calculer la valeur Ecf-Ec0. Tracer la droite d étalonnage : Calculer la pente de cette droite d étalonnage. f 0 f Ec 0 2) Estimation du débit Convertir la chronique de conductivité Ecf-Ec0 (Figure 7) acquise pendant le jaugeage avec l enregistreur en chronique de concentration Cf-C0. Intégrer la concentration dans le temps pour calculer la masse de NaCl qui a transité au niveau du point de mesure pendant le passage du nuage. Calculer le débit à l aide de la formule suivante : M Q T C f ( t) C0 dt 0 Essayer d évaluer l incertitude sur cette mesure du débit. 16

17 A chaque pas de temps de 1s (pas de temps d'enregistrement), on a mesuré une conductivité Ecf, à laquelle on retranche la conductivité initiale pour avoir Ecf-Ec0. On peut ensuite convertir la valeur de Ecf-Ec0 en concentration de sel (NaCl) Cf-Co grâce à notre droite d'étalonnage. A chaque pas de temps, on peut écrire : ΔM = (Cf-Co) x Q x Δt ΔM étant une fraction du sel NaCl qui a été injecté pour le jaugeage Ensuite on fait la sommation (ou intégration dans le temps) : M = Σ [(Cf-Co) x Q x Δt] M = Q x Σ [(Cf-Co) x Δt] car Q est constant pendant le jaugeage C'est ainsi qu'on en déduit le débit de la rivière Q = M / Σ [(Cf-Co) x Δt] avec M la masse de sel NaCl injectée pour le jaugeage Ecf-Ec0 (µs/cm) /10/13 10:56:00 23/10/13 10:56:30 23/10/13 10:57:00 23/10/13 10:57:30 23/10/13 10:58:00 23/10/13 10:58:30 23/10/13 10:59:00 temps (s) Figure 7 : Enregistrement de la conductivité dans la section de mesure pendant le passage du traceur 3) Comparaison des mesures de débit Comparer les valeurs de débit obtenues avec la méthode rapide, la formule de Manning Strickler, la méthode de jaugeage par exploration du champ des vitesses et la méthode de jaugeage par dilution au sel avec injection instantanée. Laquelle des deux dernières méthodes vous semble la plus précise? 17

18 Références bibliographiques : Audinet M. (1995), Hydrométrie appliquée aux cours d eau, Eyrolles, 480 p. Le Coz J, Camenen B, Dramais G, Ribot-Bruno J, Ferry M, et Rosique JL (2011), Contrôle des débits réglementaires. Application de l'article L du code de l'environnement. Collection Guides techniques de la police de l eau. 132 p. Moore, R.D. 2004a. Introduction to salt dilution gauging for streamflow measurement: Part 1. Streamline Watershed Management Bulletin 7(4): Moore, R.D. 2004b. Introduction to salt dilution gauging for streamflow measurement Part II: Constant-rate injection. Streamline Watershed Management Bulletin 8(1): Moore, R.D Introduction to salt dilution gauging for streamflow measurement Part III: Slug injection using salt in solution. Streamline Watershed Management Bulletin 8(2):1 6. Roche M.F. (1963), Hydrologie de surface, Gauthier-Villars. W.M.O. (2010), Manual on Stream gauging, Volume 1 - Field Work, WMO-No. 1044, Switzerland. 18

19 Annexe : Utilisation du conductimètre enregistreur WTW 3430 Synchroniser l heure du conductimètre enregistreur avec celle de l appareil photo. - Appuyer sur le bouton ON/OFF pendant quelques secondes pour allumer l enregistreur - Appuyer sur le bouton MENU ENTER pendant quelques secondes - Sélectionner l onglet «Système» et appuyer brièvement sur le bouton MENU ENTER - Sélectionner l onglet «Fonction horloge» et appuyer brièvement sur le bouton MENU ENTER - Sélectionner l onglet «Date» et appuyer brièvement sur le bouton MENU ENTER - Régler les jours (jj), mois (mm) et années (aa) à l aide des flèches et du bouton MENU ENTER pour sauvegarder les réglages - Sélectionner l onglet «Temps» et appuyer brièvement sur le bouton MENU ENTER - Régler les heures, minutes et secondes à l aide des flèches et du bouton MENU ENTER pour sauvegarder les réglages - Appuyer sur le bouton ESC 2 fois pour revenir au menu «Enregist. & config.» Vider la mémoire de l enregistreur - Sélectionner l onglet «Mémoire» et appuyer brièvement sur le bouton MENU ENTER - Sélectionner l onglet «Mémoire manuelle» et appuyer brièvement sur le bouton MENU ENTER - Sélectionner l onglet «Effacer» et appuyer brièvement sur le bouton MENU ENTER - Appuyer sur le bouton ESC - Sélectionner l onglet «Mémoire manuelle» et appuyer brièvement sur le bouton MENU ENTER - Sélectionner l onglet «Effacer» et appuyer brièvement sur le bouton MENU ENTER - Appuyer sur le bouton ESC 3 fois pour revenir à l écran de mesure Enregistrement d une valeur ponctuelle de conductivité - Appuyer brièvement sur le bouton STO - Sélectionner l onglet «Numéro ID» et appuyer brièvement sur le bouton MENU ENTER - A l aide des flèches, choisissez le numéro du lot que vous souhaitez attribuer aux données que vous allez enregistrer. Vous pouvez choisir de continuer à enregistrer sur un lot existant ou choisir un nouveau lot. Appuyer brièvement sur le bouton MENU ENTER. - Sélectionner l onglet «continuer» et appuyer brièvement sur le bouton MENU ENTER pour enregistrer la donnée ponctuelle de conductivité. Si plusieurs sondes sont connectées à l appareil, les valeurs de chaque sonde seront enregistrées. - Appuyer sur le bouton ESC pour revenir à l écran de mesure Enregistrement en continu de la conductivité - Appuyer sur le bouton STO pendant quelques secondes - Sélectionner l onglet «Numéro ID» et appuyer brièvement sur le bouton MENU ENTER 19

20 - A l aide des flèches, choisissez le numéro du lot que vous souhaitez attribuer aux données que vous allez enregistrer. Vous pouvez choisir de continuer à enregistrer sur un lot existant ou choisir un nouveau lot. Appuyer brièvement sur le bouton MENU ENTER. - Sélectionner l onglet «Intervalle» et appuyer brièvement sur le bouton MENU ENTER - A l aide des flèches, choisir la durée entre deux acquisitions pour votre enregistrement en continu (1s, 5 s, 10 s, 30 s, 1 min, 5 min, 10 min, 15 min, 30 min). L appareil indique endessous la capacité de mémoire dont il dispose en fonction du pas de temps sélectionné. Appuyer brièvement sur le bouton MENU ENTER. - Sélectionner l onglet «Durée» et appuyer brièvement sur le bouton MENU ENTER - A l aide des flèches, choisir une durée approximative d enregistrement qui représente la durée estimée du jaugeage depuis l injection jusqu au passage complet du nuage dans la section de mesure. Il vaut mieux prévoir un peu large pour ne pas couper l enregistrement. Appuyer brièvement sur le bouton MENU ENTER. - Sélectionner l onglet «continuer» et appuyer brièvement sur le bouton MENU ENTER pour LANCER L ENREGISTREMENT EN CONTINU. - Si vous voulez arrêter l enregistrement en continu avant la fin de la «durée estimée», appuyez sur STO pendant quelques secondes. - Sélectionner l onglet «Oui» en réponse à la question «Quitter enregstr. Autom.?» et appuyer sur le bouton MENU ENTER. Visualisation des données présentes dans la mémoire (données ponctuelles et données en continu) - Appuyer sur le bouton MENU ENTER pendant quelques secondes - Sélectionner l onglet «Mémoire» et appuyer brièvement sur le bouton MENU ENTER - En sélectionnant l onglet «Mémoire manuelle» et en appuyant sur le bouton MENU ENTER, vous avez accès aux données ponctuelles à partir de l onglet «afficher». - En sélectionnant l onglet «Mémoire automatique» et en appuyant sur le bouton MENU ENTER, vous avez accès aux données en continu à partir de l onglet «afficher». Récupération des données présentes dans la mémoire sur une clé USB (données ponctuelles et données en continu) - Connecter une clé USB à l enregistreur - Appuyer sur le bouton MENU ENTER pendant quelques secondes - Sélectionner l onglet «Mémoire» et appuyer brièvement sur le bouton MENU ENTER - Sélectionner l onglet «Mémoire manuelle» et appuyer brièvement sur le bouton MENU ENTER - Sélectionner l onglet «Sortie via stick/imprimante USB» et appuyer brièvement sur le bouton MENU ENTER - Appuyer sur le bouton ESC - Sélectionner l onglet «Mémoire automatique» et appuyer brièvement sur le bouton MENU ENTER - Sélectionner l onglet «Sortie via stick/imprimante USB» et appuyer brièvement sur le bouton MENU ENTER - Appuyer sur le bouton ON/OFF pendant quelques secondes pour éteindre l enregistreur 20