**TI82** TxtView file generated by CalcText - Kouri¢ÿ¡1meshydrÿ¡ý¡ÿmesur hydroLa mesure hydrologique 7.1 Introduction à la mesure des précipitations La mesure des récipitations est l'une des plus complexes en météorologie car on observe une forte variation spatiale selon le déplacement de la perturbation, le lieu de l'averse, la topographie et les obstacles géographiques locaux gênant sa captation. On exprime généralement les précipitations en hauteur ou lame d'eau précipitée par unité de surface horizontale (mm). Si on rapporte cette hauteur d'eau à l'unité de temps, il s'agit d'une intensité (mm/h). Rappelons que : 1 mm = 1 l/m2 = 10 m3/ha La précision de la mesure est au mieux de l'ordre de 0,1 mm. En Suisse, toute précipitation supérieure à 0,5 mm est considérée comme pluie effective. l'enregistrement des pluies en général, et des averses en particulier, se fait au moyen de divers appareils de mesure. Les plus classiques sont les pluviomètres et les pluviographes, à enregistrement mécano-graphique ou digital. Au contraire de ces approches ponctuelles, il existe aussi des méthodes de mesures globales fondées sur les méthodes radar et la télédétection (mais seule la méthode radar est abordée dans ce cours). 7.1.1 Les pluviomètres Le pluviomètre est l'instrument de base de la mesure des précipitations liquides ou solides. Il indique la pluie globale précipitée dans l'intervalle de temps séparant deux relevés. Un pluviomètre se compose d'une bague à arête chanfreinée, l'orifice qui surmonte un entonnoir conduisant au récepteur (seau). Pour uniformiser les méthodes et minimiser les erreurs, chaque pays a dû fixer les dimensions des appareils et les conditions d'installation. Chaque pays a ainsi "son type" de pluviomètre dont les caractéristiques sont toutefois peu différentes d'un pays à l'autre. En France, c'est le type SPIEA qui est utilisé (surface réceptrice de 400 cm2) ; en Suisse, on utilise le pluviomètre de type Hellmann, d'une surface de 200 cm2 (Fig.7.1). La quantité d'eau recueillie est mesurée à l'aide d'une éprouvette graduée. Le choix du site du pluviomètre est très important. Les normes standards sont basées sur le principe qu'un site est représentatif et caractérisé par l'absence d'obstacles à proximité. Le pluviomètre est généralement relevé une fois par jour (de préférence tous les matins, par exemple à 7h30). La hauteur de pluie lue le jour j est attribuée au jour j-1 et constitue sa "pluie journalière" ou "pluie en 24 heures". Si la station pluviométrique est éloignée ou difficile d'accès, il est recommandé de recourir au pluviomètre totalisateur. Cet appareil reçoit les précipitations sur une longue période et la lecture se fait par mesure de la hauteur d'eau recueillie ou par pesée. En cas de neige ou de grêle on procède à une fusion avant mesure. La hauteur au-dessus du sol de la bague du pluviomètre est également déterminante pour une mesure correcte de la pluie. En effet, les effets du vent créent un déficit en eau, dans le cas où le pluviomètre serait en position élevée. Aussi, malgré les erreurs de captation, les normes OMM (1996) préconisent que la surface réceptrice des pluviomètres (et pluviographes) soit horizontale et située à 1,50 m au-dessus du sol ; cette hauteur permet de placer facilement l'appareil et évite les rejaillissements. 2 Fig. 7.1-a - Pluviomètre type SPIEA. Fig. 7.1-b - Pluviomètre de Hellmann. 7.1.2 Les pluviographes Le pluviographe se distingue du pluviomètre en ce sens que la précipitation, au lieu de s'écouler directement dans un récipient collecteur, passe d'abord dans un dispositif particulier (réservoir à flotteur, augets, etc) qui permet l'enregistrement automatique de la hauteur instantanée de précipitation. L'enregistrement est permanent et continu, et permet de déterminer non seulement la hauteur de précipitation, mais aussi sa répartition dans le temps donc son intensité. Les pluviographes fournissent des diagrammes de hauteurs de précipitations cumulées en fonction du temps. Il en existe deux types principaux utilisés en Europe. 7.1.2.1 Le pluviographe à siphon L'accumulation de la pluie dans un réservoir cylindrique est enregistrée par l'élévation d'un flotteur. Lorsque le cylindre est plein, un siphon s'amorce et le vide rapidement. Les mouvements du flotteur sont enregistrés par un tambour rotatif à vitesse constante, entouré d'un papier, et déterminent le tracé du pluviogramme. 7.1.2.2 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). Quand un poids d'eau déterminé (correspondant en général à 0,1 ou 0,2 mm de pluie) s'est accumulé dans un des compartiments, la bascule change de position : le premier auget se vide et le deuxième commence à se remplir. Les basculements sont comptés soit mécaniquement avec enregistrement sur papier enroulé autour d'un tambour rotatif, soit électriquement par comptage d'impulsions (par exemple système MADD) : appareil permettant l'acquisition d'événements en temps réel, développé par l'HYDRAM (EPFL) en 1983. Les pluviographes à augets basculeurs sont actuellement les plus précis et les plus utilisés (Fig. 7.3). Fig. 7.4 – Courbes Hauteur de pluie-Durée-Fréquence de Fontaine-les-Clercs et hauteurs de pluie relevées à la station de Rouvroy-en-Santerre (Somme) lors de l’orage du 7 juillet 2002. C'est au moyen de ces appareils que l'on obtient les séries de données permettant de tracer les courbes Hauteur-Durée-Fréquence indispensables à l'analyse, comme on l'a vu au chapitre consacré aux précipitations. 4 7.1.3 Le radar Le radar (Radio Detection And Ranging) est devenu un instrument d'investigation et de mesure indispensable en physique de l'atmosphère. La mesure des précipitations est rendue possible par la forte influence que les hydrométéores exercent sur la propagation des ondes électromagnétiques de faible longueur d'onde. Le radar permet ainsi de localiser et de suivre le déplacement des nuages. Certains radars peuvent estimer l'intensité de la précipitation, avec cependant quelques difficultés dues à la calibration. L'avantage essentiel du radar, par rapport à un réseau classique de pluviographes, réside dans sa capacité d'acquérir, depuis un seul point, de l'information sur l'état des systèmes précipitants intéressant une vaste région (--> 105 km2). La portée d'un radar oscille entre 200 km et 300 km. De nombreuses sources d'erreur affectent toutefois la qualité des estimations de précipitation par radar. Un des points sensibles est la nécessité de trouver une relation moyenne pour la transformation des réflectivités des cibles en intensité des précipitations. Malgré l'incertitude des résultats, le radar est un des seuls instruments permettant la mesure en temps réel sur l'ensemble d'un bassin versant et il est, par conséquent, très utile pour la prévision en temps réel. Il permet une bonne représentation des phénomènes dans un rayon d'environ 100 km. 7.1.4 Les erreurs de mesure Les erreurs instrumentales sont multiples ; elles ont presque toutes pour conséquence de sous-estimer les quantités précipitées. On distingue : 􀂾 Les erreurs de captation (5 à 80 %) : pluie inclinée, fortes pentes, turbulences du vent autour du pluviomètre. 􀂾 Les erreurs de l'instrument (environ 0,5 %) : déformation de l'appareil de mesure (par exemple déformation du papier enregistreur). 􀂾 Les erreurs dues aux rejaillissements (environ 1%). 􀂾 Les pertes par mouillage (environ 0,5 %) : déficit équivalent à l'eau qui humecte les parois intérieures du pluviomètre. 􀂾 Les erreurs dues à l'évaporation dans le récipient (environ 1%). 􀂾 Les erreurs propres aux pluviographes : en cas de fortes pluies, la vidange du système à siphon, et respectivement la vitesse de basculement des augets peuvent être trop lentes. Des pertes d'eau au moment du basculement des augets peuvent aussi avoir lieu. Les erreurs d'observation sont en principe systématiques mais ne sont pas trop graves du moment que l'on ne change pas d'observateur (possibilité de corrections). 􀂾 Les erreurs de positionnement de l'appareil (on peut avoir une bonne mesure mais de quelque chose de "faux"). 􀂾 Les erreurs de représentativité spatiale ou d'échantillonnage sont difficiles à estimer, car nous ne savons pas dans quelle mesure les quantités recueillies ponctuellement sont représentatives du volume total d'eau précipitée sur l'ensemble du bassin. Le manque de précision des ces appareils de mesure classiques, ainsi que leur coût en entretien ont motivé des chercheurs à développer de nouveaux systèmes basés 5 sur une technologie de pointe. Ce thème sera abordé dans un chapitre consacré au contrôle, à l’organisation et au traitement des données. Remarques générales sur les erreurs de mesure. Il est impossible de connaître la valeur exacte d’une grandeur physique : il est donc nécessaire d'estimer l’incertitude (erreur) de la mesure. Il existe 2 types d’erreurs : • Erreurs systématiques : affectent la fiabilité des données en modifiant le résultat constamment et dans le même sens (notion de biais). Si possible, il faut corriger le résultat, sinon il vaut mieux l’éliminer ! • Erreurs accidentelles ou aléatoires : affectent la précision des données. Il faut répéter les mesures, calculer la moyenne et évaluer l’incertitude en utilisant les statistiques. Un résultat de mesure doit toujours être suivi de son incertitude : par ex. débit jaugé = 156 l/s à 15 % près). Incertitude absolue et relative : si on note a0 la valeur mesurée et a la vraie valeur de la grandeur : • L'incertitude absolue notée Δa est telle que : a - Δa < a0 < a + Δa • L'incertitude relative est Δa / a souvent exprimée en %. Les incertitudes absolues s’ajoutent pour l’addition et la soustraction. Les incertitudes relatives s’ajoutent pour la multiplication et la division. 7.2 La mesure de l'évaporation, de la transpiration et de l'évapotranspiration 7.2.1 Facteurs influençant la mesure de l'évaporation Les facteurs qui conditionnent l'évaporation sont les suivants : les rayonnements solaires et atmosphériques, la température de l'eau et de l'air, l'humidité de l'air, la pression atmosphérique, le vent, la profondeur et la dimension de la nappe d'eau, la qualité de l'eau et les caractéristiques du bassin (exposition des versants au soleil, au vent, pentes, sol,...). Certains de ces paramètres (facteurs météorologiques) sont facilement mesurables. La figure 7.4 montre une station météo équipée de l'ensemble des instruments de mesures de ces paramètres. La reprise par évapotranspiration réelle (ETR) se fait à partir : • des surfaces d’eau libre (lac, retenue de barrage, rivière) • d’un sol nu • des surfaces couvertes de végétation Il est difficile à mesurer directement l'ETR : cette mesure requiert une station de mesures agroclimatiques et bioclimatologiques spécialement consacrée à l'ETR (dispositifs de type 7.2.1.1 Le rayonnement solaire et la durée d'insolation On mesure couramment le rayonnement solaire parvenant au sol. Les mesures portent d'une part sur l'intensité du rayonnement direct, et d'autre part sur le rayonnement global tant sous forme de rayonnement diffus que sous forme de rayonnement direct. Les instruments utilisés sont désignés sous le nom général d'actinomètres. Pour la mesure du rayonnement net, on utilise des pyranomètres à thermopiles, à lames ou plus rarement à distillation. Il existe plusieurs appareils, nommés héliographes, qui évaluent chaque jour la durée totale de l'insolation pour une station. Ils déterminent la somme des intervalles de temps au cours desquels l'intensité du rayonnement solaire direct a dépassé un certain seuil. 8 7.2.1.2 La température L'instrument de mesure de la température est le thermomètre. Il mesure la dilatation d'un liquide ou d'un solide à fort coefficient de dilatation, ce qui permet d'en déduire la température. Les plus courants sont les thermomètres à mercure, à alcool et à toluène. Citons ici le thermomètre à maxima, qui est capable de retenir la valeur maximale diurne en utilisant la capillarité. La mesure de la température de l'air exige quelques précautions en raison des effets perturbateurs, principalement ceux du rayonnement. Il est donc nécessaire de protéger le thermomètre en le mettant sous un abri météorologique (Fig. 7.5). Ces abris météorologiques abritent en général d'autres instruments tels qu'un barographe ou un psychromètre par exemple. La forme et la position de l'abri sont normalisées (2 m). L'abri doit être peint en blanc, avec la porte orientée au nord et des jalousies (normes OMM). Fig. 7.5 - Abri météorologique. 7.2.1.3 L'humidité de l'air On mesure le taux d'humidité dans l'air avec un instrument appelé hygromètre. Les plus simples sont les hygromètres organiques. Ils sont basés sur la propriété des substances organiques de se contracter ou se dilater selon l'humidité. Le cheveu humain, dégraissé, s'allonge de 2,5 % lorsque l'humidité relative passe de 0 à 100 %. La lecture peut être aisément faite sur un tambour ou sur un cadran qu'on étalonne en fonction de l'humidité relative. L'appareil relié à un système d'enregistrement constitue un hygrographe. Pour la détermination simultanée de la température de l'air et de l'humidité, on utilise un psychromètre. Celui-ci est constitué d'un thermomètre à bulbe sec qui détermine la température ambiante et d'un thermomètre à bulbe mouillé (bulbe entouré d'un linge humide) qui mesure la température après ventilation de l'instrument. Le principe du psychromètre consiste à déduire l'humidité de l'air des deux températures indiquées respectivement par le thermomètre sec et le thermomètre mouillé, à 0,1 °C près. Cet appareil est le plus précis pour la mesure de l'humidité. 7.2.1.4 La pression atmosphérique Il existe divers instruments mesurant la pression atmosphérique. On distingue d'abord le baromètre à liquide ; le mercure est le plus souvent utilisé à cause de sa densité 13.6 fois supérieure à celle de l'eau. On a parfois recourt à un baromètre mécanique ou aéroïde, installé sous abri météorologique. Il peut se rattacher à un système d'enregistrement (stylo) ; on obtient ainsi un barographe mesurant la pression en fonction du temps. 7.2.1.5 Le vent Les instruments de mesure du vent sont de deux types ; certains évaluent la vitesse, d'autres la direction. En surface, les anémomètres mesurent la vitesse du vent. Ils sont installés à 10 9 mètres au-dessus du sol, à un endroit dégagé de tout obstacle (bâtiment, arbre,...). Les plus fréquemment utilisés sont les anémomètres totalisateurs, constitués de trois ou quatre branches terminées respectivement par une coupelle hémisphérique. Le système se rattache aussi à un dispositif d'enregistrement pour former un ensemble appelé anémographe. Pour la mesure en altitude troposphèrique, on se sert d'un ballon rempli d'hydrogène qui s'élève dans l'atmosphère. Connaissant sa vitesse d'ascension et son déplacement horizontal en fonction du temps, on calcule aisément la vitesse du vent qui l'entraîne. La direction du vent est, quant à elle, déterminée à l'aide d'une girouette ou d'une manche à air. La direction du vent est donnée selon les points cardinaux (cf. Fig. 7.4). 7.2.2 Mesure de l'évaporation des nappes d'eau libre Les évaporimètres Les évaporimètres simulent l'évaporation naturelle en évaporant de l'eau distillée à travers une surface poreuse. Le plus simple de ces appareils est l'évaporimètre de Piche. Il est constitué d'un tube d'où l'eau s'évapore à travers la surface de papier filtre. La baisse du niveau de l'eau est directement lisible sur le tube calibré et le taux d'évaporation est alors calculé par unité de surface de papier filtre. Les balances d'évaporation Les balances d'évaporation mesurent l'évaporation en continu par diminution du poids de l'eau placée dans un plateau sous abri. Elles ne sont pas très représentatives de l'évaporation naturelle en raison de leur faible surface libre. De plus, le faible volume de l'eau favorise le rôle thermique des parois. Les bacs d'évaporation Il existe différents types de bacs d'évaporation (par ex : classe A, modèle Colorado). Ce sont des bassins de 1 à 5 mètres de diamètre et de 10 à 70 cm de profondeur, posés sur ou dans le sol (bacs enterrés) ou encore dans l'eau (bacs flottants). Dans tous les cas, on doit maintenir le niveau de l'eau à faible distance au-dessous du bord du bac. Les variations du niveau d'eau du bac, mesurées à des intervalles fixes, sont le reflet de l'intensité de l'évaporation. 10 Fig. 7.6 - Bac d'évaporation. 7.2.3 Mesure de l'évaporation à partir des sols nus 7.2.3.1 Les verrières ou châssis vitrés Les verrières sont constituées d'un cadre métallique sans fond, de 1 m2 de section, posé sur le sol. Une vitre inclinée recouvre ce châssis. L'eau du sol s'évapore et la vapeur se condense sur la paroi froide de la vitre. L'eau condensée est alors collectée par une gouttière et recueillie dans un récipient. Ce type de mesure doit cependant subir des corrections pour tenir compte des effets du vent et de la température à l'air libre. 7.2.3.2 Le lysimètre Le lysimètre est une cuve étanche enterrée, à parois verticales, ouverte en surface et remplie par une portion de terrain d'une épaisseur de 0,5 à 2 mètres. La végétation et les conditions à chaque niveau, surtout la teneur en eau, sont maintenues sensiblement identiques à celles du terrain en place. Les variations de stock d'eau peuvent alors être mesurées avec précision. Fig. 7.7 - Schéma d'une cuve lysimétrique (Tiré de Musy et Soutter, 1991). 11 Le lysimètre est pourvu à sa base d'un dispositif recueillant l'eau de drainage. On peut déduire l'évaporation à la surface du terrain de ces variations de stock par pesée, ou encore des mesures de l'eau du sol et de drainage et des données de précipitations indiquées par un pluviomètre à proximité. L'aire horizontale de la portion de terrain isolé doit être suffisamment grande pour obtenir une bonne précision de la hauteur d'eau évaporée, en théorie à 0,01 mm près. 7.2.4 Mesure de l'évapotranspiration La mesure de l'évapotranspiration est une mesure complexe. A l'inverse des autres termes du bilan hydrique, elle est le plus souvent indirecte (en procédant par bilan hydrologique sur une parcelle expérimentale ou sur un bassin versant). Cependant, la mesure de l'évapotranspiration réelle (Etr) peut être effectuée de façon ponctuelle et directe en se basant par exemple, sur les pertes en eau d'une case lysimétrique portant de la végétation. L'évapotranspiration de référence ET0 est calculée directement à partir de mesures liées au pouvoir évaporant de l'air (température, humidité, pression, etc.). 7.3 La mesure des débits 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, notée H et exprimée en mètre. Sa mesure concerne la limnimétrie. 􀂾 Le débit du cours d'eau, noté Q et exprimé en m3/s ou l/s, représentant le volume total d'eau qui s'écoule à travers une section droite du cours d'eau pendant l'unité de temps considérée. Sa mesure est du ressort de la débitmétrie. Le niveau d'eau dans un canal est facilement observable, mais n'est représentatif que de la section d'observation et peut être soumis à des modifications dans le temps. Seule la variable débit reflète physiquement le comportement du bassin versant, et peut être interprétée dans le temps et l'espace. Généralement, on ne dispose pas d'une mesure directe et continue des débits mais d'un enregistrement des variations de la hauteur d'eau en une section donnée (station hydrométrique). On passe alors de la courbe des hauteurs d'eau en fonction du temps H=f(t) (appelée limnigramme) à celle des débits Q=f(t) (appelée hydrogramme) par l'établissement d'une courbe de tarage Q=f(H) (Fig. 7.8). La détermination de la courbe de tarage est généralement effectuée au moyen de campagnes de mesures de débits épisodiques, dont la fréquence est un élément essentiel de la qualité et de la précision des données ainsi obtenues. Le nombre de points nécessaire à l'établissement d'une courbe de tarage est de 10 minimum, répartis entre les basses et les hautes eaux. On appelle jaugeage l'ensemble des opérations destinées à mesurer le débit d'une rivière. Il est nécessaire de procéder régulièrement à des vérifications de la courbe de tarage au cours du temps, pour tenir compte d'éventuelles déficiences de l'appareil de mesure ou modifications de la section du cours d'eau. Quelle que soit la technique utilisée, on peut énoncer les recommandations suivantes : 􀂾 Le dispositif de mesure doit être adapté à la gamme de hauteurs d’eau à mesurer. 14 􀂾 Toute mesure de hauteur d’eau doit être rattachée à un système de cote (borne de nivellement). 􀂾 Tout capteur doit être régulièrement étalonné (en cote et temps). 􀂾 On doit s’assurer que la relation hauteur - débit est univoque. 􀂾 Doit couvrir toute la gamme de fluctuation possible. 7.3.1 La mesure des hauteurs d'eau La mesure des hauteurs d'eau (la limnimétrie) ou de la variation d'un plan d'eau s'effectue généralement de manière discontinue par la lecture d'une règle graduée (échelle limnimétrique) fixée sur un support. Pour connaître en continu les variations d'un plan d'eau, on utilise des limnigraphes qui fournissent sur un support un enregistrement continu des variations du niveau d'eau dans la rivière en fonction du temps (enregistrement graphique sur bande papier, enregistrement magnétique sur cassette, etc.). Réglet métallique rigide gradué en millimètres Repère fixe Cote au repère Niveau de l'eau Fig. 7.8 – Principe du repère de mesure. 7.3.1.1 Le limnimètre Le limnimètre est l'élément de base des dispositifs de lecture et d'enregistrement du niveau de l'eau : il est constitué le plus souvent par une échelle limnimétrique (Fig. 7.9) qui est une règle ou une tige graduée en métal (éventuellement en bois ou en pierre), placée verticalement ou 15 inclinée, et permettant la lecture directe de la hauteur d'eau à la station. Si l'échelle est inclinée, la graduation est corrigée en fonction de l'angle d'inclinaison avec la verticale. Fig. 7.9-a – Position d'une échelle limnimétrique : inclinée ou verticale. Fig. 7.9-b – Exemple d'échelle limnimétrique. La lecture de l'échelle limnimétrique se fait généralement au demi-centimètre près. Le zéro de l'échelle limnimétrique doit être placé au-dessous des plus basses eaux possibles dans les conditions de creusement maximum du lit dans la section de contrôle, et ce pour ne pas avoir de cotes négatives.7.3.1.2 Le limnigraphe à flotteur Le limnigraphe à flotteur est un appareil qui maintient un flotteur à la surface de l'eau grâce à un contrepoids, par l'intermédiaire d'un câble et d'une poulie. Le flotteur suit les fluctuations du niveau d'eau, qui sont reportées sur un graphe solidaire d'un tambour rotatif (à raison d'un tour par 24h ou par semaine ou par mois). La précision de la mesure est de 5 mm environ. 16 Fig. 7.10-a - Schéma du limnigraphe à flotteur. Fig. 7.10-b – Exemple de limnigraphe à flotteur. 7.3.1.3 Le limnigraphe "bulle à bulle" Le limnigraphe à pression ou "bulle à bulle" mesure les variations de pression causées par les changements de niveau d'eau. Cet appareil comprend une bonbonne de gaz comprimé, un dispositif de contrôle de pression et un tube immergé relié à la bonbonne. Un débit d'air constant sous pression est envoyé au fond de la rivière. Par un manomètre à mercure, on mesure la pression de l'air dans le tube qui est proportionnelle à la hauteur d'eau au-dessus de la prise installée dans la rivière. 17 Fig. 7.11 - Limnigraphe pneumatique 7.3.1.4 Autres capteurs pour la mesure des hauteurs d'eau Les sondes destinées à remplacer les échelles limnimétriques et autres limnigraphes classiques, couplées avec une centrale d’acquisition (pas de scrutation, pas d’acquisition fixe ou variable), permettent l'automatisation du réseau de mesures des hauteurs d'eau. Le point commun de la plupart de ces capteurs est l'emploi de paramètres électriques qui varient en fonction d'une pression exercée sur le système. Citons à titre d'exemple le capteur capacitif et le capteur à ultrasons. Comme autre dispositif de mesure il faut citer la mesure par radar. Le capteur capacitif ou "capteur de pression" est notamment basé sur le principe du condensateur. Une variation de la distance entre les deux plaques du condensateur induit une variation de tension mesurable. L'appareil, constitué d'une plaque fixe et d'une plaque mobile selon la pression, peut ainsi mesurer des différences de hauteur d'eau lorsqu'on l'immerge verticalement dans le cours d'eau. La pression de l'eau est transmise par l'intermédiaire d'une membrane solidaire de la partie mobile du condensateur. 18 7.3.2 La mesure des débits Pour mesurer le débit d'un écoulement naturel (cours d'eau, canal, dérivation...), il existe quatre grandes catégories de méthodes. 􀂾 Les méthodes "volumétriques" (ou jaugeage capacitif) permettent de déterminer le débit directement à partir du temps nécessaire pour remplir d'eau un récipient d'une contenance déterminée. Compte tenu des aspects pratiques inhérents à la méthode de mesure (taille du récipient nécessaire, incertitude sur la mesure du temps, aménagement spécifique éventuel), cette méthode n'est généralement pratiquée que pour des débits très faibles, quelques l/s au plus. 􀂾 Les méthodes "d'exploration du champ de vitesse" consistent à déterminer la vitesse de l'écoulement en différents points de la section, tout en mesurant la surface de la section mouillée. Ces techniques nécessitent un matériel spécifique (moulinet, perche, saumon, courantomètre...) et un personnel formé à son utilisation. Parmi les nombreuses méthodes d'exploration du champ de vitesse, les jaugeages au moulinet et au flotteur sont présentés ci-dessous, ainsi que le principe de fonctionnement des capteurs électromagnétiques. 􀂾 Les méthodes "hydrauliques" tiennent compte des forces qui régissent l'écoulement (pesanteur, inertie, viscosité...). Ces méthodes obéissent aux lois de l'hydraulique. 􀂾 Les méthodes "physico-chimiques" prennent en compte les variations, lors de l'écoulement, de certaines propriétés physiques du liquide (concentration en certains éléments dissous). Ces méthodes consistent généralement à injecter dans le cours d'eau un corps en solution, et à suivre l'évolution de sa concentration au cours du temps. Ce sont les méthodes dites «par dilution» ou encore «chimique». Toutes ces méthodes de mesures des débits nécessitent généralement un régime d'écoulement en régime fluvial, sauf les jaugeages chimiques, qui sont appropriés en cas d'écoulement torrentiel. 7.3.2.1 Le jaugeage par exploration du champ de vitesse Rappelons que la vitesse d'écoulement n'est jamais uniforme dans la section transversale d'un cours d'eau. Le principe de cette méthode consiste donc à calculer le débit à partir du champ de vitesse déterminé dans une section transversale du cours d'eau (en un certain nombre de points, situés le long de verticales judicieusement réparties sur la largeur du cours d'eau). Parallèlement à cette exploration du champ de vitesse, on relève le profil en travers du cours d'eau en mesurant sa largeur et en effectuant des mesures de profondeur. Le débit Q [m3/s] s'écoulant dans une section d'écoulement S [m2] 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 section d'écoulement peut être évaluée en relevant la profondeur d'eau en diverses verticales réparties régulièrement sur toute la largeur. Plusieurs méthodes permettent de déterminer la vitesse moyenne de l'eau. 1. Le jaugeage au moulinet Le moulinet hydrométrique (cf. Fig. 7.13) permet de mesurer la vitesse ponctuelle de l'écoulement. Le nombre de mesures sur une verticale est choisi de façon à obtenir une bonne 19 description de la répartition des vitesses sur cette verticale. De manière générale, on fera entre 1, 3 ou 5 mesures suivant la profondeur du lit. Fig. 7.12 - Débit et champ des vitesses à travers une section. 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). La fonction v = f (n) est établie par une opération d'étalonnage (courbe de tarage du moulinet). Suivant le mode opératoire adopté pour le jaugeage, le moulinet peut être monté sur une perche rigide ou sur un lest profilé appelé "saumon" (Fig. 7.13). Fig. 7.13 - Adaptation du moulinet aux différents modes opératoires. Dans le cas du montage sur perche, le moulinet peut être manoeuvré de deux manières : 􀂾 directement par l'opérateur placé dans l'écoulement (jaugeage à gué), la perche reposant sur le fond du lit du cours d'eau. Cette méthode est utilisable dans des sections de profondeur inférieure à 1 mètre et avec des vitesses d'écoulement inférieures à 1 m/s. 􀂾 à partir d'une passerelle, la perche étant suspendue à un support permettant les déplacements verticaux. 20 Les différents modes opératoires du jaugeage au moulinet monté sur un lest sont présentés dans le tableau 7.1. Tableau 7.1. – Méthodes et limites des différents modes opératoires du jaugeage au moulinet monté sur un lest. Modes opératoires Limites de la méthode Mesures à partir d'un pont Profondeur < 10 m et vitesse < 2 m/s Mesure à l'aide d'un canot Profondeur < 10 m et vitesse < 2 m/s Mesures à partir de stations téléphériques Lorsque les vitesses à mesurer dépassent 3 m/s. 21 Mesures à partir d'un bateau mobile Lorsque la rivière est large (> 200 m), uniforme et sans présence de hauts-fonds afin d'y manoeuvrer facilement. Finalement, le calcul de la vitesse moyenne de l'écoulement sur l'ensemble de la section S de longueur L se fait par intégration des vitesses vi définies en chacun des points de la section de profondeur pi (variant pour chaque verticale de 0 à une profondeur maximale P) et d'abscisse xi (variant pour chaque verticale de 0 à L) : (7.1) L'énorme avantage de la méthode du moulinet est d'être une technique éprouvée quel que soit son mode opératoire. Le moulinet reste l'appareil le plus utilisé pour la mesure des débits en rivière par exploration du champ des vitesses. Cependant cette méthode nécessite un matériel lourd ainsi qu'un personnel nombreux et de qualité. Fig. 7.14 - Jaugeage au moulinet, à gué en Wadders. 22 2. Le jaugeage au flotteur Lorsque le jaugeage au moulinet ne peut pas être effectué en raison de vitesses et de profondeurs excessives ou au contraire trop faibles, ou de la présence de matériaux en suspension, il est possible de mesurer la vitesse d'écoulement au moyen de flotteurs. Il s'agit dans cette méthode de mesurer uniquement des vitesses de surface, ou plus exactement les vitesses dans la tranche superficielle de l'écoulement (les 20 premiers centimètres environ). Les flotteurs peuvent être soit artificiels (bouteilles en plastiques) soit naturels (arbres, grosses branches, etc.). Le déplacement horizontal d'un flotteur de surface durant un temps t permet de déterminer la vitesse de l'écoulement de surface. Plusieurs mesures de vitesse du flotteur doivent être réalisées. La moyenne de ces mesures est ensuite multipliée par un coefficient approprié pour obtenir la vitesse moyenne de l'élément de section. En général, la vitesse moyenne dans la section est de l'ordre de 0,4 à 0,9 fois la vitesse de surface. Cette méthode donne de bonnes approximations du débit, parfois suffisantes pour les études envisagées. 3. Les sondes électromagnétiques Différents principes de mesure peuvent être mis en oeuvre basés sur le développement récent des instruments utilisant des sondes électromagnétiques. On peut citer : 23 􀂾 Les mesures au capteur électromagnétique, basés sur l'application de la loi d'induction de Faraday selon laquelle un conducteur électrique traversant perpendiculairement un champ magnétique induit une tension. En débitmétrie, cette tension est proportionnelle à la vitesse de passage du liquide considéré et est indépendante des caractéristiques du liquide à mesurer telles que densité, viscosité, conductivité électrique, mais non des caractéristiques de sa charge particulaire. 􀂾 Les capteurs à ultrason Doppler, fixés sur un coté de l'écoulement, émettent un signal ultrasonique dans le flux du liquide. Lorsque ce signal est réfléchi par les particules solides ou les bulles d'air, sa fréquence se modifie proportionnellement à la vitesse du fluide. On peut signaler ici l'existence d'un « profileur » de courant à effet Doppler, l'ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) qui permet de mesurer des profils verticaux de la vitesse de l'eau, en utilisant l'énergie acoustique. Fig. 7.15 - Jaugeage au moulinet, à gué en Wadders. 􀂾 Les mesures au capteur à ultrason de transfert, basés sur la vitesse de transfert en fonction du courant. Ce domaine de la débitmétrie est caractérisé par la diversité des facteurs à prendre en compte et par les multiples principes de mesures susceptibles d'être mis en oeuvre. Le choix d'un appareil suppose que, préalablement toutes les conditions d'utilisation soient identifiées avec rigueur. 7.3.2.2 La détermination du débit à l'aide d'ouvrages calibrés La construction d'un déversoir ou d'un canal calibré (Fig. 2.15) pour la détermination des débits d'un cours d'eau a pour but l'obtention d'une relation entre le niveau de l'eau H et le débit Q aussi stable que possible, et en principe sans jaugeage sur le terrain. Le débit est alors obtenu par des formules hydrauliques et par étalonnage sur modèles. Les canaux jaugeurs et les déversoirs calibrés sont notamment utilisés dans le cas de petits cours d'eau aux lits étroits, instables, encombrés de blocs et à faible tirant d'eau, pour lesquels l'installation de stations à échelles limnimétriques et l'exécution de jaugeages au moulinet ne sont pas recommandés. Leur fonctionnement obéit aux lois de l'hydraulique classique. 24 Fig. 7.15 - Déversoir triangulaire en minc34 paroi et canal de Venturi. 7.3.2.3 Les jaugeages par dilution Cette méthode de jaugeage par dilution s'applique à des torrents ou des rivières en forte pente où l'écoulement est turbulent ou pour lesquels on ne trouve pas de section se prêtant à des jaugeages au moulinet. Le principe général consiste à injecter dans la rivière une solution concentrée d'un traceur (sel, colorant,...) et à rechercher dans quelle proportion cette solution a été diluée par la rivière, par prélèvements d'échantillons d'eau à l'aval du point d'injection (Fig. 7.16). Cette dilution est notamment fonction du débit, supposé constant le long du tronçon, concerné pendant la durée de la mesure. On a la relation suivante dans laquelle le rapport C1 / C2 représente la dilution : (7.2) Où : Q : débit du cours d'eau [l/s] ; C1 : concentration de la solution injectée dans le cours d'eau [g/l] ; C2 : concentration de la solution restante dans des échantillons prélevés à l'aval du point d'injection dans le cours d'eau [g/l] ; k : coefficient caractéristique du procédé et du matériel utilisé. Les conditions suivantes sont nécessaires pour que les méthodes par intégration ou dilution puissent être appliquée : 􀂾 le débit de la rivière doit rester à peu près constant pendant la mesure ; 􀂾 le traceur doit passer dans sa totalité par l'emplacement de prélèvement des échantillons ; 􀂾 à la hauteur des prélèvements, le mélange doit être tel qu'en chaque point de la section du cours d'eau, doit passer la même quantité de traceur. 25 Fig. 7.16 - Principe du jaugeage par dilution; mode opératoire. On utilise différents traceurs minéraux ou organiques, tels que la fluorescéine ou la rhodamine. Suivant le débit à évaluer, on n'utilisera pas le même traceurs. 1. Méthode de l'injection à débit constant La méthode de l'injection à débit constant consiste à injecter dans le cours d'eau un débit constant connu q d'une solution de traceur, à la concentration C1 (solution mère), pendant un temps déterminé. La durée de l'injection doit être telle que la concentration C2 du traceur à la section de prélèvement reste constante pendant un certain laps de temps, appelé « palier ». A partir des hypothèses suivantes : • le débit Q du cours d'eau est constant pendant la mesure (régime permanent), • le débit q du traceur à la section de prélèvement est égal à celui de l'injection (pas de pertes), et négligeable devant Q, • le mélange est homogène à la section de prélèvement, ...alors, et dans l'hypothèse de la conservation de la masse de traceur, on a : Fig. 7.17 - Jaugeage à débit constant. 26 (7.4) 2. Méthode par intégration (injection instantanée) Cette méthode consiste à injecter en un point du cours d'eau un volume V de traceur en solution concentrée C1. Au terme d'un parcours suffisamment long pour que le mélange avec l'eau de la rivière soit bon, des échantillons sont prélevés, et cela pendant toute la durée T de passage du nuage de traceur. Les prélèvements sont effectués en plusieurs points de la section d'échantillonnage de façon à fournir une valeur moyenne de la concentration C2 qui évolue en fonction du temps et du point de prélèvement. L'intégration au cours du temps des différentes valeurs de concentration C2(t) donne une valeur moyenne . Dans l'hypothèse de la conservation de la masse du traceur, on peut exprimer le débit comme suit : (7.3) Avec : Q : débit du cours d'eau [l/s ou m3/s] ; M : masse de traceur injecté [g] ; M = V . C1 ; V : volume de la solution lâchée dans le cours d'eau [l ou m3] ; C1 : concentration de la solution lâchée dans le cours d'eau [g/l] ; : concentration moyenne du traceur dans les échantillons, obtenue par intégration [g/l] ; C2(t) : concentration de l'échantillon prélevé au temps t [g/l]; T : durée du prélèvement [s]. 3. Cas particulier du jaugeage au sel à l'aide d'une sonde conductimétrique Dans ce cas, on injecte en un point du cours d'eau une masse connue de sel (NaCl) diluée dans un volume d'eau de la rivière. On place une sonde conductimétrique en aval de l'injection, à une distance suffisamment longue pour que le mélange soit bon. La sonde mesure la conductivité électrique de l'eau au cours du passage du nuage de sel. On peut alors tracer la courbe conductivité en fonction du temps. Une relation linéaire existe entre la conductivité de l'eau et sa concentration en sel dissous. On peut donc en déduire la courbe concentration en fonction du temps. Le débit est alors obtenu par intégration de la concentration au cours du temps. Conclusion Il existe de nombreuses et différentes méthodes de mesure des débits : chaque méthode a ses La mesure de référence en hydrologie courante est souvent le jaugeage au moulinet. 7.3.3 Installation d'une station hydrométrique Définition des objectifs de la station hydrométrique : cf. ci-dessous le schéma type d’une station hydrométrique. 􀂾 Reconnaissance d’un site favorable (cf. fiche), topographie (PT, PL) 􀂾 Conception de la station : génie civil, équipements hydrométriques, contraintes réglementaires 􀂾 Mise en place de la station et de ses équipements, premier étalonnage 􀂾 Gestion de la station : réalisation de jaugeages périodiques, récupération des chroniques de hauteurs d’eau et contrôle de l’étalonnage des capteurs. 28 29 7.3.4 Élaboration d’une courbe d'étalonnage Courbe d’étalonnage (ou "tarage") : relation DEBIT = f( HAUTEUR D’EAU) pour une période donnée. On suppose que, dans sa période de validité, la CE est univoque. Courbe d’étalonnage théorique : 􀂾 Cas d’un dispositif expérimental (déversoir, etc.) : n’est valable que si les conditions d’application sont respectées. 􀂾 Cas d’une CE provisoire établie à partir des caractéristiques topographiques de la section en appliquant une formule d’écoulement du type Manning-Strickler. Alors il y a nécessité de validation par des jaugeages d’étalonnage. Courbe d’étalonnage expérimentale : Dans les sections naturelles la CE varie dans le temps selon des séquences de creusement et sédimentation en fonction de l’instabilité du fond de la rivière. 􀂾 Nécessité de jaugeages périodiques suffisamment nombreux pour permettre l ’identification des dates de détarage et le tracé sans ambiguïté des CE 􀂾 Élaboration de CE expérimentales et de leurs périodes de validité - Tracé des courbes de tarage au mieux parmi les jaugeages. - Extrapoler en hautes et basses eaux hors de la gamme des débits jaugés ÿÞÑ