Résumé - CHAPITRE 7 LA MESURE HYDROLOGIQUE RESUME Introduction 2 La mesure des précipitations 2 La mesure de l'évaporation 2 La mesure de l'évapotranspiration 3 La mesure des débits 3 La mesure du debit solide 4 La mesure de l'infiltration 5 La mesure de l'humidité du sol 5
2 Hydrologie générale INTRODUCTION Les objectifs de ce chapitre sont de connaître les principes métrologiques des principaux éléments constitutifs du bilan hydrique, de savoir apprécier le résultat des mesures en liaison avec leur précision (relative ou absolue) et d'évaluer les moyens d'organisation des données compte tenu de leur diversité. LA MESURE DES PRECIPITATIONS La mesure des précipitations est simple à réaliser localement, mais une des plus complexes en météorologie du fait de la très forte hétérogénéité spatiale des précipitations. On exprime généralement les précipitations en hauteur ou lame d'eau précipitée par unité de surface horizontale (mm) ou en intensité (mm/h). Les principaux instruments de mesures sont dans le tableau suivant : Mesure des précipitations Pluviomètre : - Instrument de base quantifiant la pluie globale précipitée dans l'intervalle de temps séparant deux relevées (en Suisse, toutes les 24 h). Pluviographe : - Instrument enregistrant la hauteur instantanée de la précipitation et permettant la détermination de l'intensité de la pluie. Il en existe 2 principaux : Le pluviographe à siphon. L'accumulation de la pluie dans un réservoir cylindrique est enregistrée par l'élévation d'un flotteur. Radar : Le pluviographe à augets basculeurs. Cet appareil comporte, en dessous de son entonnoir de collecte de l eau, une pièce pivotante dont les deux compartiments peuvent recevoir l eau tour à tour (augets basculeurs). - Instrument permettant de localiser et de suivre les nuages, et d'estimer le volume de la précipitation potentielle. Il permet de mesurer la précipitation en temps réel sur le bassin versant après calibration (avec des mesures de terrain) et, par conséquent, est très utile pour les prévisions du temps. La mesure des précipitations peut être entachée d'erreurs instrumentales ou d'observation, mais aussi d'erreurs de représentativité spatiale ou d'échantillonnage. LA MESURE DE L'EVAPORATION L'évaporation peut-être mesurée indirectement à partir de facteurs physiques qui sont eux, directement mesurables ou de manière directe au moyen d'instruments de mesures particuliers. Mesures indirectes de l'évaporation à partir de facteurs physiques Rayonnement solaire net au sol : - Pyranomètre Durée d'insolation : - Héliographe Température : - Thermomètre Humidité relative : - Hygromètre et psychromètre Pression atmosphérique : - Baromètre Vent : - Anémomètre et girouette (direction)
La mesure hydrologique 3 Evaporimètre : Mesures directes de l'évaporation au moyen des appareils suivants : Balances d'évaporation : Bac d'évaporation : - l évaporation naturelle est quantifiée par la mesure de l'évaporation de l eau distillée à travers une surface poreuse. Le plus simple de ces appareils est l évaporimètre de Piche. - l'évaporation est mesurée en continu par diminution du poids de l'eau s'évaporant placée dans un plateau sous abri. - l'évaporation est mesurée par les variations du niveau d'eau d'un bac posé sur le sol, partiellement enterré ou flottant. Verrières ou châssis vitrés : - l'eau du sol s'évapore, la vapeur d'eau se condense sur la paroi d'une vitre recouvrant un châssis posé sur le sol, puis est récoltée par une gouttière. Lysimètre : - cuve étanche enterrée, à parois verticales, ouverte en surface et remplie par une portion de terrain. Elle comprend un dispositif permettant de recueillir l eau de drainage. Les variations de stock d'eau permettent de déterminer l'évaporation. LA MESURE DE L'EVAPOTRANSPIRATION La mesure de l évapotranspiration est très complexe. Elle peut être effectuée en se basant sur les pertes en eau d'un sol cultivé dans une case lysimétrique ou en procédant par bilan hydrologique sur une parcelle expérimentale. LA MESURE DES DEBITS On appelle hydrométrie l ensemble des techniques de mesures des différents paramètres caractérisant les écoulements dans les cours d eau naturels ou artificiels et dans les conduites. Les deux variables principales qui caractérisent l'écoulement sont : la cote de la surface d'eau libre H (m). Sa mesure concerne la limnimétrie. le débit du cours d'eau Q (m3/s ou l/s). Sa mesure est du ressort de la débitmétrie. Le passage d'une courbe des hauteurs d'eau en fonction du temps H=f(t) (appelée limnigramme) à celle des débits Q=f(t) (appelée hydrogramme) se fait par l'établissement d'une courbe de tarage Q=f(H). La détermination de cette courbe est effectuée suite à des campagnes de mesures de débits épisodiques. L'ensemble des opérations destinées à mesurer le débit d'une rivière est appelé jaugeage. Mesures des hauteurs d'eau Limnimètre (mesure discontinue) : - Echelle limnimétrique Limnigraphe (mesure continue) : - Limingraphe à flotteur - Limnigraphe à mesure de pression Capteurs : - Capteur capacitif - Capteur à ultra-sons
4 Hydrologie générale Ledébitpeutêtreévaluédemanière: directe par volumétrie, à partir du temps que met un récipient, de volume connu, à se remplir de l'eau coulant du déversoir étudié. La méthode directe est utilisée essentiellement pour les petits débits, notamment les débits de drainage. indirecte à partir de la vitesse d'écoulement à travers une section donnée (section de mesure), à partir d'ouvrages hydrauliques, ou par dilution. Exploration du champ de vitesses : Mesures indirectes des débits Le débit Q [m 3 /s] s'écoulant dans une section d'écoulement S [m 2 ] d'une rivière peut être défini à partir de la vitesse moyenne V [m/s] perpendiculaire à cette section par la relation : Q = V S. La vitesse moyenne de l'écoulement dans une section est obtenue par intégration des vitesses dans l'espace de la section. - Mesure des vitesses par l utilisation du flotteur : déplacement horizontal d'un flotteur de surface durant un temps t permettant de déterminer la vitesse de l'écoulement de surface. - Mesure des vitesses par l utilisation du moulinet : la vitesse d'écoulement est mesurée en chacun des points à partir de la vitesse de rotation de l hélice située à l avant du moulinet (nombre de tours n par unité de temps). - Mesure des vitesses au moyen de sondes électromagnétiques (effet Doppler). Détermination du débit à l aide d ouvrages hydrauliques calibrés : Déversoir ou canal calibré permettant de calculer les débits par des formules hydrauliques. Mesure du débit par la méthode de dilution : - Déversoir triangulaire ou rectangulaire (en mince paroi) - Déversoirs à seuil épais. - Canal de Venturi. Elle consiste à injecter en une section d'un cours d'eau, une solution (sel, colorant, etc.) de concentration connue, puis à doser l'évolution de la concentration en cette solution dans une section avale. On en déduit alors le débit. - Injection réalisée "à débit constant" - Injection réalisée "par injection instantanée" (méthode par intégration) LA MESURE DU DEBIT SOLIDE La quantité de sédiments (ou, flux solide, charge solide, débit solide) transportée par un cours d eau à une section donnée pendant un temps donné est composé de la charge en suspension et du transport de fond (glissement ou roulement sur le fond et saltation). Ce dernier est plus difficilement mesurables in situ. La quantité de sédiments transportée par un cours d eau peut être mesurée de manière directe par la collecte d échantillons à hauteur d une section de mesure pour suivre dans le temps les variations du transport solide ; ou de manière indirecte par l utilisation de relevés bathymétriques de lacs ou de retenues artificielles ou à l aide de carottages de sédiment en vue de l analyse de traceurs isotopiques (C 137,Pb 218 ).
La mesure hydrologique 5 Mesure de la quantité de sédiments en suspension à hauteur d une section de mesure Mesure du débit solide pour une section d écoulement : Qs = c v dldp s Avec : l abscisse (distance à l une des 2 rives), p profondeur, v vitesse du courant, c concentration de matériaux en suspension. - Prélèvements manuels - Les préleveurs instantanés - Les préleveurs à pompe - Les préleveurs par intégration Mesure en continue des matières en suspension : Mesureencontinuedelaturbidité: - Préleveur d échantillon automatique - Turbidimètre LA MESURE DE L'INFILTRATION Les méthodes les plus connues pour mesurer directement et ponctuellement l'infiltration sont : Infiltromètres Infiltromètre de Müntz : - méthode fondée sur le principe de l'infiltration à charge constante Infiltromètre à double cylindre : - méthode fondée sur le principe de l'infiltration àchargevariable. Infiltromètre de Guelph : - méthode permettant la détermination de la conductivité hydraulique et la sorptivité. Infiltromètre à aspersion : - méthode utilisant le principe du simulateur de pluie. LA MESURE DE L'HUMIDITE DU SOL L'humidité du sol peut être déterminée de plusieurs façons soit par méthode directe (mesures gravimétriques), soit par des méthodes indirectes. Parmi ces dernières citons : Méthodes de mesures indirectes de l'humidité du sol Sonde à neutrons : - méthode reposant sur les propriétés de réflexion que possèdent les molécules d'eau à l'égard d'un flux de neutrons. Technique TDR : (Time Domain Reflectometry) - méthode déterminant la constante diélectrique du sol, fonction de son état d'humidité. Les données hydrologiques mesurées sont finalement regroupées dans des annuaires et publiées par différents organismes responsables (cf. chapitre 8).