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 de la surface d’eau d’eau libre (limnimétrie) : h (m) – le débit débit du cours d’eau (débitmétrie) (débitmétrie) : Q (l/s ou m 3/s)
•
Difficulté Difficul té de mesurer mesurer le débit débit en continu conti nu (technologie existante mais coût coûteu euse se – cf débi débitmèt tmètre re à ultraso ultrasons) ns)::
Suivi uiv i continu con tinu de la hauteur hauteur d’ea d ’eau u Jaugeages : détermination de la courbe courb e d’étalonn d’étalonna age du cours d’eau Q=f(h)
Courbe de tarage = étalonnage
• Étalonner une station, c’est rechercher la relation entre ntr e les cotes co tes et les débits , afin de transformer la courbe des hauteurs en courbe des débits • Ex Exemp emple le : cour courbe be d’ét d’étalo alonn nnag age e de la stat station ion de Gons Gonsé é sur la Mass Massililii (Nak (Nakamb ambé, é, BF BF)) Relation Q = f(h)
• Remarque : Système anglo-saxon : h = f(Q)
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
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
Nature et Stabilité du lit
La nature du lit : stabilité
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
1. Le lit naturel du cours d’eau La nature du li t : la
rugosité
Lit rocheux : Station de Kara (rivière Kara, bassin de l’Oti, Togo)
: Station de Bittou (rivière Nohao, bassin du Nakambé, Lit sableux BF)
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
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
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
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
-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.
Les codeurs à flotteurs
Les codeurs à flotteurs • 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 Codeur électronique (type Thalymèdes-OTT) en association avec un limnigraphe
Station de Daboya (White Volta, Ghana)
Station de Bittou (Nohao, Burkina)
limni
Échelle de crue
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
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
1 Pascal (Pa) = 1 bar = 1 atmosphère = 1 g/cm2 = 1 psi =
1 105 1,013 105 98 6895
bar
atmosphère
10-5
0,9869 10-5
1 1,013 0,098 10-2 6,89 10-2
0,9869 1 0,968 10-3 0,068
g/cm 2 10-2
1,02 1020 1033 1 70,3
psi 0,145 10-3 14,51 14,70 0,01422 1
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
Principe de mesure patm
ptube= patm + pvwater level
m
patm Water level
P water level
patm
ptube
p
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
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
La mesure des débits
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".
La mesure des débits
Q (m3 s-1) = V (m.s-1) x S (m2) , dans lesquelles Q est mesuré directement: méthode volumétrique, seuils jaugeurs, dilution chimique, électromagnétisme; , dans lesquelles le champ des vitesses est exploré de façon partielle: ultrasons, bateau mobile, flotteurs; , dans lesquelles les trois composantes Hm, L, U sont mesurées séparément : essentiellement moulinet hydrométrique, ADCP.
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.
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
Q = K C Hn avec K: coefficient de débit lié à H; C et n : paramètres dépendant des caractéristiques du seuil
Seuils jaugeurs : jaugeurs Parshall
Seuils jaugeurs : jaugeurs Parshall Effet du rétrécissement d’un seuil
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
injection instantanée (ou par intégration) ou bien par injection continue Injection d’un traceur [C1]
Prélèvement du traceur [C2] Q Q=k.C1/C2
Méthode plutôt adaptée aux rivières à forte pente, au lit irrégulier où l’écoulement est fortement turbulent
Les méthodes incomplètes Méthode ultrasonique
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)
Méthode Ultrasonique à effet Doppler
Mesure horizontale sur un cone en travers de
la rivière. Mesure les vitesses à differents points sur la
largeur.
Méthode Ultrasonique à effet Doppler
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
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 25 000 euros
ADCP (Modèle WorkHorse de RDI)
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
Draft Blanking distance
Maximum
Area of measured discharge
slant range
Side lobe
Main beam
Side lobe Side lobe interference
Streambed
JAUGEAGE JAUG EAGES S AUX FLOTTE FLOTTEUR URS S : Méthod Méth ode e incom inc ompl plète ète
Il s'a 'agi gitt dans ans cette méthode de mesu mesure rerr uniqu uniquem emen entt des vitesses de surface, ou plus plus exac exacte teme ment nt les vites tesses ses dans ans la tra tranch chee supe uperfi rfici cieelle de l'écoulement (les 20 premi premier erss cent centim imèt ètre ress envi environ ron).). Les flott otteurs peuvent être soit artificiels (bouteilles en plastiques) soit soit natu nature rels ls (arb (arbre res, s, gros grosse sess bran branch chees, etc.). Le dépl lotteu eurr de surf déplac acem emen entt hori horizo zont ntal al d'un d'un flott surfac acee dura durant nt un temps t permet de déte déterm rmin iner er la vite vitess ssee de l'écoulement de surface. flotte teur ur doiv Plusie Plu sieurs urs mesur mesures es de vitesse du flot doiven entt être être réali réalisé sées es..
La moyenne de ces mesures est ensuite mul multipli ipliéée par un coefficient app approp roprié rié pour our obt obtenir la vites tesse moye oyenne de l'élément de section.
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. pr ofondeurs.
Jaugeages aux flotteurs : méthode de mesure
Jaugeages aux flotteurs : dépouillement
Jaugeages aux flotteurs : calcul de la vitesse des flotteurs
Les méthodes complètes Jaugeages au moulinet
Jaugeages au moulinet : Les supports de moulinet
Jaugeages au moulinet : Déplacements du support de moulinet
Courantometre Electromagnétique
Courantometre Electromagnétique
A
B
dS V a
B
F
L a
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 directi on 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 p ousser les électrons le long du fil. Dans le cas plus général où la direction d'un élément du fil d l n'est pas la même que celle de la for ce, il faut calculer la composante de la force le long du fil pour obteni r 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 électr ons jusqu'à ce qu'un champ électrique opposé se cré e 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 él ectromagnétique Il faudra donc toujours veiller à ce que la vitesse du courant se fa sse dans un plan horizontal (sin=1) et garder à l’espri t 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)).
Courantometre à ultrason
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)
dl dp
Q = Vitesse moyenne de l’écoulement * Aire (section mouillée)
Q=
∫∫
V(p,l)dpdl
Hélice V = f(nbe de tours/dt)
section
l
p Mesures de vitesses ponctuelles + mesure de la section d’écoulement
saumon
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.
Jaugeages au moulinet : Feuille de jaugeage Rivière
Station
Date
Hélice
Commentaire
Heure
Position
Profondeur
N
Jaugeage n°
T
D
…………..
H………….
F
…..………
H………….
m.s-1
Commentaires
Jaugeages au moulinet : Dépouillement du jaugeage
Jaugeages au moulinet : Dépouillement du jaugeage
Jaugeages au moulinet : Dépouillement du jaugeage
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
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 -S trickler, 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 .
