Sujet de thèse sur le Doppler horizontal Mis à jour par J. Le Coz (Cemagref HHLY) le 21 janvier 2008

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1 Sujet de thèse sur le Doppler horizontal Mis à jour par J. Le Coz (Cemagref HHLY) le 21 janvier 2008 «Suivi des flux d eau et de matières en suspension (MES) dans les cours d eau par profileurs acoustiques Doppler horizontaux (adcp-h)» Laboratoire d accueil : Encadrant Cemagref : Co-directeurs de thèse : Ecole Doctorale : Cemagref, Unité de Recherche Hydrologie-Hydraulique (Lyon) Jérôme Le Coz (HHLY) David Hurther (LEGI) et André Paquier (HHLY) Terre Univers Environnement (Université Joseph-Fourier Grenoble) Durée : 3 ans (à partir de la rentrée universitaire 2008) Profil du candidat : acoustique et/ou hydraulique fluviale Financement : bourse de thèse Cemagref (cofinancements CNR et EDF) Partenaires principaux : Interlocuteurs scientifiques : CNR (Compagnie Nationale du Rhône, Lyon) EDF-Division Technique Générale (Grenoble) LEGI (Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels, Grenoble) CEREGE (Géosciences de l Environnement, Aix-en-Provence) IRSN (Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire, Cadarache) LTHE (Transferts en Hydrologie et Environnement, Grenoble) Enjeux opérationnels liés à la mesure des flux de MES La plupart des études hydrologiques s appuient sur le suivi hydrométrique des cours d eau, assuré en France essentiellement par les services de l Etat (Diren, SPC ) et les exploitants (EDF, CNR ). En effet, l observation continue des débits est capitale d un point de vue écologique (débits réservés, changement climatique ) mais aussi économique (ressources en eau, inondations, conduite des centrales hydro-électriques et nucléaires ). Le suivi en continu des flux de matières en suspension (MES) associés est lourd à mettre en œuvre et coûteux. Il n est qu exceptionnellement réalisé à des pas de temps suffisamment fins pour comprendre la dynamique sédimentaire. Les prélèvements mensuels opérés par les Diren sont plus orientés vers des comparaisons interannuelles et intersites des concentrations. Pourtant, l observation et l analyse de la dynamique des MES sources, propagation, piégeage, resuspension répondent également à des enjeux forts (dispersion de polluants/nutriments, envasement des retenues, etc.). Ainsi les stations automatisées de prélèvement/analyse des MES comme celle mise en œuvre par l IRSN sur le Grand- Rhône en Arles 1 sont rares en France. Par conséquent, la détection et la quantification des flux de MES par des méthodes indirectes (turbidimétrie essentiellement) sont souvent utilisées pour généraliser le suivi, notamment à l aval de réservoirs (chasses). Le calage de ces mesures indirectes s appuie nécessairement sur un jeu de mesures directes (prélèvement/filtration) de référence. En raison de certaines grandeurs d influence (granulométrie, nature des particules, solutés colorés, etc.) et de phénomènes physiques négligés dans la plupart des modèles d inversion (absorption, diffusion multiple), ce calage est souvent délicat à généraliser, notamment aux fortes concentrations (régime non linéaire). Les turbidimètres en particulier saturent à trop forte concentration, et sont en général sujets à une dérive due à l encrassement du capteur (fouling). 1 Cette station répond à un enjeu fort de surveillance des radio-éléments naturels et artificiels remobilisés et transportés en suspension pendant les crues notamment. 1

2 Parmi les mesures indirectes du transport en suspension, les méthodes acoustiques s avèrent prometteuses, ne serait-ce que parce qu elles sont extrêmement peu sensibles à l encrassement et parce qu elles peuvent être couplées à une mesure de profil de vitesse par effet Doppler pour parvenir au profil de flux sédimentaire. Contexte scientifique : mesure hydro-acoustique des MES en rivière L analyse hydro-acoustique des processus sédimentaires a été employée avec succès en océanographie (cf. par exemple Thorne et Hanes, 2002) et en milieu contrôlé (Shen et Lemmin 1999, Admiraal et Garcia 2000, Hurther et Lemmin 2001a, Hurther et Lemmin 2003, Michallet et al. 2006, Hurther et al. 2007a, 2007b). De nouvelles méthodes d inversion acoustique adaptées aux fortes concentrations, ont été développées récemment au LEGI sur des prototypes de type PUFP (Profileur Ultrasonore de Flux de Particules). Leur utilisation sur des systèmes adcp mérite d être testée et comparée à l utilisation de codes commerciaux de type SediView. Depuis 1994, les profileurs acoustiques Doppler (adcp) ont révolutionné le jaugeage des cours d eau en France (Le Coz et al., 2006a; Simpson, 2001; Yorke et Oberg, 2002). Ce type d appareils à ultrasons exploite la technique du Doppler pulsé pour mesurer des profils de vitesse bi- ou tridimensionnels à une cadence maximale proche du Hz. Un groupe d utilisateurs français a été créé début 2005 pour partager les expériences et formaliser le savoir-faire méthodologique (Le Coz et al., 2007a). Si l opportunité d utiliser ces appareils pour mesurer les flux de MES en rivière a été envisagée dès les premières années (Reichel et Nachtnebel, 1994), de tels essais en milieu fluvial restent rares dans la littérature scientifique (Dinehart et Burau 2005), au regard des utilisations en milieu océanique (Gartner, 2004; Hoitink, 2004; Hoitink et Hoekstra, 2005; Holdaway et al., 1999) ou même lacustre (Lorke et al., 2004). L unité HHLY s est dotée en 2004 d un adcp TRDI 1200 khz et a réalisé des essais de mesure de flux de MES sur le Rhône (Drevet, 2004) et le Timis (Rotaru et al., 2006). La conversion des intensités acoustiques rétrodiffusées a été réalisée à l aide du logiciel commercial SediView (DRL, 2003; Land et Jones, 2001), pour l assistance au calage des paramètres hydroacoustiques. Cette conversion soulève des questions fondamentales encore mal résolues qui sont actuellement étudiées en milieu contrôlé au LEGI dans le cadre du projet PNEC «conditions de remaniement des sédiments naturels et flux d'érosion associés», d un développement «Equipement mi-lourd INSU» sur la mesure des bilans hydro-sédimentaires en zone benthique et d un projet européen HYDRALAB- SANDS sur la dynamique sédimentaire en zones littorales de surf et de swash (Hurther et al. 2006). Ces travaux révèlent les performances et limites actuelles de la mesure simultanée par rétro-diffusion acoustique, du profil de vitesse (Hurther et Lemmin 2001b, Hurther et Lemmin 2007a) et de concentration (Bricault 2006, Hurther et Lemmin 2007b) pour des suspensions en canal ouvert. L étude définit et spécifie les aspects déterminants et la démarche expérimentale à suivre pour l amélioration de l inversion acoustique. Elle est applicable à tout type d adcp. Depuis 2005, les premiers adcp fixes horizontaux (adcp-h) en France ont été installés pour suivre en continu (typiquement à la minute) et en temps réel le débit au niveau de stations hydrométriques pilotes (Rhône à Lyon-Perrache, Saône à Lyon-St-Georges, Isère à Romans pour la CNR ; Rhône à St- Alban et à Tricastin pour EDF). Les adcp-h sont vraisemblablement amenés à se généraliser en hydrométrie fluviale. Toutefois, les premières installations ont mis en évidence des problèmes de mesure des vitesse, notamment en présence d écoulements complexes, et en situation de faibles vitesses et faibles concentrations en MES. 2

3 Objectifs scientifiques La thèse proposée vise à tester et exploiter le potentiel des adcp-h pour le suivi des flux d eau et de MES en rivière. Concrètement, à partir des cas expérimentaux disponibles, la thèse visera les trois objectifs scientifiques (distincts mais interconnectés) suivants : 1.mesure des vitesses : diagnostiquer les limitations observées et leur cause, en lien avec les essais menés par le fournisseur (RDI Europe) et les opérationnels ; quantifier les incertitudes associées à ces vitesses 2.calcul du débit : établir une méthodologie de calcul et de calage des paramètres associés aux méthodes de la vitesse index et des méthodes par profils (logiciels Visea-H / SEBA) ; quantifier les incertitudes associées à ces débits 3.mesure des concentrations en MES : établir une méthodologie de conversion de l intensité du signal acoustique rétrodiffusé en concentration en MES ; quantifier les incertitudes associées aux flux de MES obtenus. Six étapes de travail seront essentielles : 1.Analyser la mesure de vitesse par l adcp-h, fondamentale pour la qualité des mesures de débit et donc de flux de MES ; la confronter aux jaugeages par adcp classique ; 2.Définir et implémenter des méthodes de calcul du débit, les paramétrer en exploitant l information hydrodynamique des jaugeages disponibles, et les évaluer par confrontation aux données de référence disponibles (jaugeages, courbe de tarage fiable, station ultrasons, etc.) 3.Vérifier la validité des paramètres adcp nécessaires à l inversion du signal : la fonction de directivité angulaire, la fonction de correction à la divergence sphérique en champ proche, la fonction de transfert de la chaîne de mesure (capteurs et circuits électroniques). Comparaison aux résultats théoriques (Fraunhofer et Fresnel) et empiriques disponibles dans la littérature (Deines 1999, Thorne et Hanes 2002) et dans les manuels d utilisation RDI. Au cas où les résultats précédents seraient discordants, il est prévu de tester expérimentalement la reproductibilité des paramètres entre les différentes sondes d un adcp, puis entre différents adcp ; 4.Vérifier la validité des propriétés acoustiques de rétro-diffusion et d absorption des MES introduites dans le modèle d inversion. Si nécessaire, des tests acoustiques seront réalisés sur des prélèvements in situ de MES ; 5.Etablir une corrélation entre l écho rétro-diffusé (backscatter) et le taux de MES (mesuré par prélèvement et / ou par turbidimétrie optique de type OBS), en analysant l impact des autres grandeurs d influence sur l intensité de l écho ; 6.Tester différents modèles et méthodes d inversion (linéaire, itérative, explicite voire bifréquentielle) et comparer les résultats à ceux obtenus par le logiciel commercial SediView ; Méthodologie expérimentale Les essais métrologiques in situ à la base de ce travail de recherche expérimental seront réalisés en collaboration avec la CNR, EDF-DTG et les autres partenaires, à partir des stations équipées d adcp- H. Si nécessaire, des tests en laboratoire seront menés en collaboration avec le LEGI afin de déterminer les paramètres d inversion (acoustiques et instrumentaux). Outre les mesures de l adcp-h, l étude hydro-acoustique nécessitera des mesures complémentaires de concentration et granulométrie des sédiments. Sont notamment prévus des prélèvements des sédiments en suspension (bouteille Niskin) et des sédiments constituant le lit (carottier ou benne Shipek par exemple). Des mesures de granulométrie (granulomètre laser) des MES et des sédiments du fond représenteront un très gros avantage pour l inversion du signal rétrodiffusé. Au niveau des stations étudiées, il sera également utile de disposer d un suivi turbidimétrique, associé à un système de prélèvement. L acquisition et l installation d un sédimètre Argus (tige de capteurs de 3

4 turbidité) permettrait en outre de préciser le profil de concentration. Par ailleurs, on poursuivra les mesures de profils verticaux par adcp classique (vertical mobile). Depuis juin 2006, HHLY a accès à un granulomètre laser de laboratoire (ENTPE/OTHU/ZABR) pour analyser ses échantillons rapidement après le prélèvement. Ceci permettra d analyser finement la granulométrie des particules passant au droit de l adcp-h pour mieux comprendre la réponse acoustique. Toutefois, l analyse granulométrique in situ sans délai est réputée bien plus représentative en raison de l évolution rapide de la granulométrie des MES après prélèvement (par floculation notamment). Les propriétés acoustiques en floculation peuvent être très différentes et sont mal connues à l heure actuelle. Ainsi un granulomètre laser en ligne, de type process industriel, permettrait de suivre à pas de temps fin la distribution granulométrique des MES à la cote de l adcp-h, au niveau d une station pilote par exemple. Profil souhaité Le candidat doit avoir une formation de niveau master2 recherche (ou équivalent) dans le domaine de l hydrologie/hydraulique fluviale, et/ou dans le domaine de l acoustique et de l instrumentation associée. La maîtrise des outils logiciels courants et scientifiques sera appréciée. Outre la rigueur scientifique et le sens pratique, il doit maîtriser l anglais, avoir au moins des rudiments de français, avoir le goût du travail en équipe et des expérimentations sur le terrain. Calendrier prévisionnel Validation candidat(e) en mai-juin 2008, constitution d un comité de pilotage parmi les interlocuteurs scientifiques et opérationnels 1 ère année de thèse : bibliographie, instrumentation et acquisition de données, analyse des données déjà acquises, rédaction d un article de congrès (vitesses et débit) et d un rapport d avancement 2 ème année de thèse : extension de l instrumentation et essais, analyse du signal rétrodiffusé, rédaction d un article de congrès (MES), d un article (adcp-h vitesses et débits) et d un rapport d avancement 3 ème année de thèse : finalisation et évaluation des méthodologies mises au point ; rédaction d un article (vitesses, MES) ; rédaction de la thèse et soutenance. Références bibliographiques de l équipe et des partenaires BRICAULT, M. (2006). Mesure de profils de concentration sédimentaire par rétro-diffusion acoustique pulsée: application à l étude des suspensions en milieu turbulent. (Thèse de doctorat à l INP Grenoble) DRAMAIS G., ROTARU E., LE COZ J., CHASTAN B. (2006). - Testing adcp potential for suspended-load measurements in rivers. RDI ADCPs in Action. Cannes, France. (Poster) DREVET, C. (2004). Mise en place d'un protocole expérimental de mesure de taux de MES par ADCP. Modélisation de la confluence lône de Ricotti / rivière d'ain. Lyon, Cemagref. (Stage ingénieur INSA) HURTHER D. et U. LEMMIN (2001a). A discussion of Equilibrium near bed concentration of suspended sediment. J. Hydraulic Eng. 127(5), (Article) HURTHER D., LEMMIN U. (2001b). - A correction method for turbulence measurements with a 3D Acoustic Doppler Velocity Profiler. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 18, HURTHER D. et U. LEMMIN (2003) - Turbulent particle and momentum flux statistics in suspension flow. Water Resources Research, 39(5). HURTHER D., THORNE P.D. et U. LEMMIN (2006) New Instrumentation for Bed and suspended sediment transport studies. Projet européen HYDRALAB-SANDS (oct à déc. 2009) 4

5 HURTHER D., LEMMIN U. et E.A. TERRAY (2007a). Turbulent transport in the outer region of rough wall open-channel flows: the contribution of Large Coherent Shear Stress Structures (LC3S). Journal of Fluid Mechanics 574, HURTHER D., MICHALLET H. and X. GONDRAN (2007b). Turbulent measurements in the surf zone suspension. Journal of Coastal Research, SI50, HURTHER D., et U. LEMMIN (2007a). Improved turbulence profiling with field adapted Acoustic Doppler Velocimeters using a bi-frequency Doppler noise suppression method. J. of Atmos. and Oceanic Technol. (in press). D. HURTHER et U. LEMMIN (2007b), Pulsed coherent and uncoherent Acoustic Backscattering Systems for velocity and sediment concentration profiling: application to the study of fine-scale flow and sediment processes. Invited presentation at the Underwater Acoustic Measurements conference, June 2007, Heraklion, Greece. LE COZ J., HAUET A., VÉDIE F., DRAMAIS G., CHASTAN B., PAQUIER A. (2006a). - Recirculating flow pattern assessment from adcp, LS-PIV and 2dh modelling. RiverFlow2006. Lisbonne, Portugal. LE COZ J., PIERREFEU G., BROCHOT J.-F., SAYSSET G., MARCHAND P. (2007a). - Jaugeage des rivières par adcp : pour une culture commune. La Houille Blanche, n , LE COZ J., CHASTAN B., VÉDIE F., DRAMAIS G. (2007b). - Emplois de l'adcp en rivière : une revue de synthèse. La Houille Blanche, n , LE COZ J., PIERREFEU G., BROCHOT J.-F., PAQUIER A., CHASTAN B. (2007c). - Suspended-load dynamics during floods in the River Saône, France. 10th International Symposium on River Sedimentation. Moscou, Fédération de Russie. LE COZ J., PIERREFEU G., PAQUIER A. (2007d). Mean vertical velocity profiles from adcp river discharge measurement datasets. 32nd IAHR congress. Venise, Italie. MICHALLET H., D. HURTHER and M. BRICAULT (2006), Fine sediment stratification in a mixing box. Soumis à Int. Symposium on Stratified Flows, December 2006, Perth, Australia. LEGRAS D. (2006). - Setting up of a 300 khz narrowbeam H-ADCP upstream Saint Alban nuclear power plant on the Rhône river. RDI ADCPs in Action. Cannes, France. (Communication orale) OLIVIER A., BLANQUART B., PIERREFEU G., SCOTTI M. (2006a). - Incertitude sur les mesures de débit issues d'un jaugeage à l'adcp ou au moulinet. Soumis à La Houille Blanche. OLIVIER A., PIERREFEU G., SCOTTI M. (2006b). - Influence d un fond mobile sur un jaugeage ADCP. Prise en compte de ce phénomène dans le dépouillement. Soumis à La Houille Blanche. PIERREFEU G. (2004). - Effects of a moving bottom on a discharge measurement. Discharge measurements using a DGPS. RD Instruments ADCPs in Action - Europe. Nice, France. (Communication orale) PIERREFEU G. (2006). - Monitoring the Saône river discharge in Lyon by H-ADCP. RDI ADCPs in Action. Cannes, France. (Communication orale) ROTARU E., LE COZ J., DROBOT R., ADLER M.-J., DRAMAIS G. (2006). - ADcp measurements of suspended sediment fluxes in Banat rivers, Romania. Balwois2006. Ohrid, Macédoine. Références bibliographiques externes ADMIRAAL, D.M., et GARCIA, M.H. (2000). Laboratory measurement of suspended sediment concentration using an acoustic concentration profiler (ACP). Experiments in Fluids 28(2), pp DEINES, K. L., (1999). Backscatter estimation using broadband acoustic Doppler current profilers. Proceeding of the IEEE 6th working conference on current measurement, SanDiego, CA. DINEHART, R.L. ET J.L. BURAU (2005) Repeated surveys by acoustic Doppler current profiler for flow and sediment dynamics in a tidal river. Journal of Hydrology 314(1-4), pp DRL (2003). - DRL-Sediview software user manual V3, DRL Software Ltd. GARTNER J.W. (2004). - Estimating suspended solids concentrations from backscatter intensity measured by acoustic Doppler current profiler in San Francisco Bay, California. Marine Geology, 211,

6 HOITINK A.J.F. (2004). - Tidally-induced clouds of suspended sediment connected to shallow-water coral reefs. Marine Geology, 208 (1), HOITINK A.J.F., HOEKSTRA P. (2005). - Observations of suspended sediment from ADCP and OBS measurements in a mud-dominated environment. Coastal Engineering, 52, HOLDAWAY G.P., THORNE P.D., FLATT D., JONES S.E., PRANDLE D. (1999). - Comparison between ADCP and transmissometer measurements of suspended sediment concentration. Continental Shelf Research, 19, LAND J.M., JONES P.D. (2001). - Acoustic measurement of sediment fluxes in rivers and near-shore waters. Seventh Federal Interagency Sedimentation Conference. Reno, Nevada. LEMMIN U., ROLLAND T. (1997). - Acoustic velocity profiler for laboratory and field studies. Journal of Hydraulic Engineering, 123 (12), LORKE A., MCGINNIS D.F., SPAAK P., WUEST A. (2004). - Acoustic observations of zooplankton in lakes using a Doppler current profiler. Freshwater Biology, 49, REICHEL G., NACHTNEBEL H.P. (1994). - Suspended sediment monitoring in a fluvial environment: advantages and limitations applying an acoustic Doppler current profiler. Water Research, 28 (4), SHEN C. et U. LEMMIN (1999). Application of an acoustic particle flux profiler in particle-laden open-channel flow. Journal of Hydr. Res. 37(3), SIMPSON M.R. (2001). - Discharge measurements using a broad-band acoustic Doppler current profiler. Sacramento, California, USGS, 123 p. THORNE P.D., HANES D.M. (2002). - A review of acoustic measurement of small-scale sediment processes. Continental Shelf Research, 22 (4), YORKE T.H., OBERG K.A. (2002). - Measuring river velocity and discharge with acoustic Doppler profilers. Flow Measurement and Instrumentation, 13,