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Mesures de débit

De Wikigeotech

Plusieurs méthodes et appareils de mesure existent pour déterminer la vitesse du courant dans une rivière. Leur type et leur domaine d'utilisation dépend de plusieurs paramètres, comme l'accessibilité au cours d'eau, l'influence de la station de mesure par des conditions hydrauliques aval (ouvrage, confluent...), le débit du cours d'eau, la présence de corps flottants... Nous pouvons les ranger en deux grandes catégories: les systèmes de mesure directe par des appareils qui sont placés dans le courant et des systèmes de mesure indirecte qui nécessitent l'utilisation de logiciels d'exploitation des grandeurs mesurées hors courant (photo-interprétation ou calcul de débit à partir du niveau d'eau)

Sommaire

Mesure des vitesses et détermination des débits en rivière par jaugeage

Les principaux appareils utilisés sont des moulinets plus ou moins lourds et adaptés aux conditions d'écoulement ou des échosondeurs embarqués.

micromoulinet
courantometre electromagnetique
radar sous le pont de saint benoit de la reunion

Jaugeage au moulinet (saumon)

Plusieurs mesures sont effectuées suivant différentes verticales et à différentes profondeurs. La vitesse moyenne est obtenue par intégration de ces mesures dans la section. Avec deux ou trois points, on peut utiliser la moyenne arithmétique. C'est à partir des ponts, des câbles aériens ou des bateaux que les jaugeages des grands fleuves en crue se font le mieux. Lorsqu'il n'y a pas de pont, on utilise de grands canots ou des bateaux transbordeurs. On peut utiliser un matériel télémétrique à bord et sur la rive pour déterminer la position de l'embarcation dans le chenal. Les bateaux de jaugeage, utilisant un câble de traversée, sont équipés d'engins électriques ou mécaniques pour le déplacement le long du câble et pour la manœuvre du matériel de mesure. Généralement, il faut utiliser des saumons lourds (lestés jusqu'à 100 kg), car les vitesses en crue de certains cours d’eau peuvent atteindre 4 à 6 m.s-1. Le profil de la section de jaugeage est relevé à l'échosondeur.

Jaugeage au moulinet (vidéo à gauche) et au micro moulinet (vidéo à droite)

WIKHYDRO - Jaugeage au moulinet par Wikhydro

WIKHYDRO - Jaugeage au micro-moulinet (version... par Wikhydro


Jaugeage au micro moulinet

Il s'agit d’une variante de la méthode précédente, mais avec du matériel beaucoup plus léger pour des conditions d'étiage (voir vidéo de gauche ainsi que la vidéo à droite ci-dessus). Le débit est également calculé par exploitation du champ de vitesse.

Courantomètre électromagnétique : ADC

Le courantomètre électromagnétique permet également de mesurer la vitesse de l’écoulement en un point. Le principe de fonctionnement est le suivant : l’eau, en se déplaçant dans un champ électromagnétique généré par la sonde du courantomètre, produit une force induite proportionnelle à la vitesse d’écoulement. Comme pour les jaugeages au moulinet, les mesures sont effectuées point par point sur plusieurs verticales. Ce type de matériel (voir photo du centre) présente l’avantage de mesurer une gamme de vitesses étendue, de 0,1 m/s à 6 m/s et n’est pas gêné par les herbes aquatiques.

Dérives de flotteurs

On emploie cette méthode lorsqu’on ne peut utiliser un moulinet à cause de la vitesse du courant, de la profondeur ou de la présence de matières en suspension, ou lorsque le jaugeage doit se faire en très peu de temps.

Jaugeage par ADCP

Les profileurs acoustiques de vitesse par effet Doppler (ADCP) sont de plus en plus utilisés dans les jaugeages des cours d’eau depuis une dizaine d’années, montés sur de petites embarcations ou bien sur des modèles réduits (vidéo en bas à gauche) ou encore sur bateaux (vidéos en bas à droite).

En France, certains services d’hydrométrie réalisent déjà près de 60 à 80% de leurs jaugeages avec cette technologie. L’ADCP détermine le débit par exploration du champ de vitesse dans toute la section. Les avantages principaux sont une connaissance du débit en quelques minutes (intérêt pour le régime transitoire), des vitesses mesurées dans les 3 dimensions et une bathymétrie actualisée à chaque passage. L’ADCP émet depuis la surface vers le fond de la rivière des ondes sonores dans plusieurs directions à une fréquence donnée variable selon les modèles (de 300 à 2400 kHz). Celles-ci se réfléchissent sur les particules en suspension qui se déplacent à la même vitesse que l’eau. De l’écart de fréquence entre l’onde émise et l’écho on peut déduire la vitesse des particules et donc de l’eau (effet Doppler) et en connaissant le temps de parcours de l’onde pour retourner au transducteur, on mesure la distance des particules au récepteur.

La gamme des sections jaugées s’étend depuis des largeurs de 10 m et des profondeurs de quelques dizaines de centimètres à des largeurs de plusieurs centaines de mètres et une profondeur de plusieurs dizaines de mètres. Des vitesses moyennes très faibles (de l’ordre de 20 cm/s) ont pu être mesurées correctement, la limite supérieure se situant aux alentours de 4 m/s, essentiellement à cause des contraintes de déploiement et de sécurité. Par contre, l’ADCP ne mesure pas la partie haute de la colonne d’eau ni la couche basse de la colonne d’eau, près du fond, à cause de problèmes de réflexion acoustique (lobes secondaires). Les bords près des rives ne sont pas mesurés par manque de profondeur. En effet, il faut une profondeur minimale pour que l’ADCP fonctionne. Pour cette raison, une fraction parfois non négligeable du débit "mesuré" est en fait une interpolation de valeurs dans les zones inaccessibles à la mesure directe.

Jaugeage par ADCP sur petit catamaran ou sur bateau (Rhin)

WIKHYDRO - Echo sondeur embarqué par Wikhydro

WIKHYDRO - Jaugeage en bateau sur le Rhin par Wikhydro


Des sytèmes embarqués utilisant des ADCP montés en série sur des bateaux de jaugeage spécialisés équipent les principaux services de navigation. Par exemple sur le Rhin, Voies Navigables de France (direction interrégionale de Strasbourg) a équipé la vedette ARION d'une batterie d'échosondeurs). La vidéo ci-dessus (à droite) présente le matériel utilisé ainsi que les modalités de fonctionnement de cette vedette pour mesurer le débit sur le Rhin.

Mesure du débit des cours d'eau par installations fixes

Certains cours d'eau ne permettent pas l'accès des personnels de jaugeage, soit qu'ils peuvent se mettre en danger, par exemple si le courant trop fort, ou que les mesures que le site est vraiment inaccessible par exemple si les berges sont trop abruptes.

Mesure de vitesse superficielle par radar

Dans le cas de fortes vitesses de courants, de transport solide de forte intensité pouvant détruire les appareils enregistreurs installés sur les berges, les radars commencent à être très répandus. Installés pour la plupart à l'aval du tablier de ponts, ils mesurent la tranche d'air comprise entre le capteur et la surface libre. Ces instruments présentent l'intérêt de ne pas être intrusifs et, de part leur position élevée, de ne pas être mis en péril par les crues (sauf par mise en charge du pont sur lequel ils sont installés ou par des embâcles). Ils présentent quelques désavantages, comme par exemple la dérive de leur mesure avec la température ou l'humidité.

Jaugeage des cours d'eau de montagne

mesure de debit par seuil triangulaire
Les cours d'eau de montagne sont caractérisés par des régimes hydrologiques très variés. En été, les débits sont le plus souvent très faibles, mais leur bassin versant réagit très vite aux précipitations, générant des débits liquides élevés en des temps très courts et des débits solides importants à l'origine d'érosions et de destruction d'ouvrages en lit mineur ou en lit majeur. Il sont caractérisés par des lits peu profonds et irréguliers, tapissés de blocs de pierre et de débris, vestiges des dernières crues où les blocs quelquefois de grandes dimensions ont été transportés par charriage et déposés de manière aléatoire, en fonction des conditions locales de vitesse.

L'implantation d'appareils de mesure est souvent difficile et se fait le plus souvent dans des zones abritées.

Sur les petits cours d'eau de montagne, compte tenu de la turbulence de l'écoulement, il est très souhaitable d'utiliser des jaugeages chimiques. Il est possible d'utiliser des systèmes de mesure fixes si la mobilité du lit peut être localement contenue. La photo ci-contre montre une section de cours d'eau équipée d'un seuil triangulaire, qui donne directement le débit en fonction du niveau relevé.

Mesure de la vitesse par analyse d'images

L'image numérique complète désormais le panel des techniques utilisables pour l'hydrométrie. Cette méthode non intrusive permet, à partie de photographies ou de vidéos de le rivière et de ses berges, de mesurer directement directement les niveaux d'eau et la vitesse de surface de l'écoulement.

L'estimation du débit correspondant se fait ensuite par extrapolation du champ des vitesse en passant du profil horizontal de vitesse en surface au champ tridimensionnel. Cette transformation est calée sur des une exploration tridimensionnelle du champ de vitesse (à différents débits de la rivière) réalisée à l'aide d'un ADCP. Le couplage avec un système de transmission de données permet en outre de rapatrier en temps réel des images du cours d'eau.

L'installation de ce type d'appreillage est simple et peu onéreuse : une caméra numérique est placée sur un support assez élevé sur l"une des berges du cours d'eau. Elle vise l'achelle limnimétrique de l'autre côté de la rivière si le cours d'eau est peu large ou la même berge lorsque le cours d'eau est large, en prenant comme référece un certain nombre de points fixes, à choisir avec discernement.

L'avantage principal de la méthode est de permettre une estimation du débit de la rivière en temps réel, même en cas de crue importante, lorsque les jaugeages peuvent devenir dangereux. La technique est toujours en exploitation, présentant encore quelques inconvénients (éblouissement à certains heures, présence de fort brouillard...) qui seront résolus dans un proche avenir.

analyseur d images

camera photo sur mat

Mesure des débits par ultra sons

station de mesure du debit d un fleuve
Les jaugeages sont en générale réalisés au droit de stations de mesures, en profitant d'un ouvrage de franchissement routier. D'autres mesures sont également possibles sur des biefs non-équipés, à l'aide de matériels dédiés. Par contre, ces mesures sont peu adaptés à la détermination des débits lorsque la rivière est trés large et qu'elle est soumise à une influence aval qui peut aller jusqu'à inverser le sens du courant. Cette situation peut empêcher d'établir des relations biunivoques etre niveau d'eau et débit.

Cest par exemple le cas au droit de grands confluents comme celui de la Loire et de la Maine ou encore comme le Rhin à Strasbourg.

Dans ces cas, il y a lieu d'utiliser des systèmes de mesure fixes de débit, qui fournissent en temps réel une valeur de débit au droit d'une section de la rivière.

Le système de mesure est constitué des éléments suivants :

  • un système de mesure de vitesse d'écoulement
  • un système d'acquisition et de traitement des données
  • un capteur réadr de mesure de niveau d'eau

Les profils en travers effectués à l'amont et à l'aval immédiat de la station de mesure servent à la détermination de la section mouillée moyenne qui est calculée pour chaque mesure à partir de la hauteur d'eau mesurée en continu.

La détermination du débit est réalisée sur la base de résultats d'un jaugeage effectué le jour de l'installation. Pour cela, il convient d'explorer plusieurs régimes hydrologiques (basses eaux, moyennes eaux, hautes eaux...) de manière à établir des corrélations vitesses - niveaux en grand nombre.

Le système assure la mesure en continu de la vitesse d'écoulement à l'aide de capteurs reliés à un processeur numérique de signal, qui permet de traiter les signaux multi-fréquences émis et reçus et de déterminer les temps de transit.

La plage de mesure des vitesses d'écoulement se située enre -5m/s et +5m/s avec une précision annoncée de 1% sur toute le plage.

Bibliographie

  • Tanguy Jean-Michel "Traité de l'hydraulique environnementale", Edition Hermes-Lavoisier Tome 1: Volume 2, 380 pages.


en complément, voir aussi la page : Méthodes de jaugeage : animations


Le créateur de cet article est Jean-Michel Tanguy
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