Hydromtrie : mthodologie et technique de la mesure des hauteurs d'eau et des dbits dans les cours d'eau.

Station hydromtrique : Section dun cours deau o sont mesures : la cte de la surface deau libre (limnimtrie) : h (m) le dbit du cours deau (dbitmtrie) : Q (l/s ou m3/s)

Difficult de mesurer le dbit en continu (technologie existante mais coteuse cf dbitmtre ultrasons):

Suivi continu de la hauteur deau

Jaugeages : dtermination de la courbe dtalonnage du cours deau Q=f(h)

Introduction

talonner une station, cest rechercher la relation entre les cotes et les dbits, afin de transformer la courbe des hauteurs en courbe des dbits

Exemple : courbe dtalonnage de la station de Gons sur la Massili (Nakamb, BF)

Remarque : Systme anglo-saxon : h = f(Q)

Relation Q = f(h)

Courbe de tarage = talonnage

Trois types de sections caractristiques sont dfinies dans un bief hydromtrique (Q constant tout au long du bief) :

Section de lchelle limnimtrique ( =section de rfrence) Section de contrle (existante ou non) Section de jaugeage

Sections caractristiques

Choix du site de la station hydromtrique : Chenal unique absence de dbordement Bief rectiligne Stabilit du lit (matriaux rsistant) Sensibilit de la section Seuil de contrle stable Accessibilit de la station

Station hydromtrique

La nature du lit : stabilit

Nature et Stabilit du lit

Ex2 : Effet du remblaiement en dcrue sur le courbe dtalonnage dune station

Ex 1 : Effet du dblaiement en dcrue sur le courbe dtalonnage dune station

2. Le lit naturel du cours deau : nature et stabilit du lit

La nature du lit : la rugosit

1. Le lit naturel du cours deau

Lit sableux : Station de Bittou(rivire Nohao, bassin du Nakamb, BF)

Lit rocheux : Station de Kara (rivire Kara, bassin de lOti, Togo)

La sensibilit de la station est dautant meilleure quune grande variation de la hauteur lue lchelle correspond une faible augmentation du dbit traversant la section de lchelle.

Sensibilit exprime par le rapport ou

Qh

Q Q

h/

Sensibilit dune station

Critres de choix dun site de jaugeage

Choix de la section de jaugeage :

Caractristiques recherches : Section transversale stable et rgulirevitesses deau suffisantes, filets deau parallles

Hautes eaux : attention linfluence aval de barrage, ou daffluent (effet de reflux)

Basses eaux :Jauger proximit de la section de lchelle (phnomnes dinfiltration dans les alluvions)

Prsence naturel ou construction dun seuil pour contrler et jauger les bas dbits

Les codeurs flotteurs Limnigraphe Codeur lectronique (ex : Thalymde de OTT)

Les capteurs de pression capteurs de pression hydrostatique capteurs de pression bulles bulles

Les capteurs ultra-sons Les capteurs radar

Les capteurs hydromtriques

Diffrents type de capteurs limnimtriques(mesure des hauteurs deau) :

Les chelles limnimtriques : Elles sont alignes dans la section de mesure Elments cals les uns p/r aux autres Et rfrencs par rapport une borne

Les capteurs limnimtriques

-Lchelle limnimtrique =Rgle ou tige gradue en mtal, bois ou pierre, place verticalement ou incline permettant la lecture directe de la hauteur deau la station.

La lecture de lchelle se fait 5mm de prcision environ.

Le zro de lchelle doit tre en dessous du niveau des plus basses eaux connues.

Les codeurs flotteurs

Principe : Les variations de hauteurs deau entranent un mouvement du flotteur Une roue codeuse (poulie/cble) convertit le mouvement en un signal

lectrique proportionnel la variation du plan deau Prcision : quelques mm

Avantages : simplicit, grande robustesse Inconvnients :

gnie civil important (gaine)

envasement

Les codeurs flotteurs

Codeur lectronique (type Thalymdes-OTT) en association avec un limnigraphe

Station de Daboya (White Volta, Ghana)

Station de Bittou (Nohao, Burkina)

limni

chelle de crue

Principe : mesure de la pression hydrostatique de la colonne deau Dformation dune membrane souple sous

leffet de la pression hydrostatique Transformation de la dformation mcanique

en signal lectrique par un transducteur Transducteur les plus utiliss : jauges de

contraintes mtallique ou cramique

Prcision : de 0.5 mm 1 cm suivant la gamme de mesure

Les capteurs de pression

Avantages : Installation simple Grande prcision

Inconvnients : Drive lie la dformation de la membrane

Ncessit de recaler priodiquement la sonde Envasement Mise lair libre prolong (tiage) peut endommager la

sonde

Les capteurs de pression hydrostatique

Les capteurs de pression

Pascal bar atmosphre g/cm2 psi1 Pascal (Pa) = 1 10-5 0,9869 10-5 1,02 10-2 0,145 10-31 bar = 105 1 0,9869 1020 14,511 atmosphre = 1,013 105 1,013 1 1033 14,701 g/cm2 = 98 0,098 10-2 0,968 10-3 1 0,014221 psi = 6895 6,89 10-2 0,068 70,3 1

Principe : Compresseur envoie un dbit dair dans un tube immerg La pression correspondant lapparition des 1res bulles est

proportionnelle la hauteur deau Elle est mesure par un capteur de pression diffrentielle

Avantages : Installation simple Bonne sensibilit (1 cm pour 10 m) Installation simple et peu couteuse Uniquement un tuyau en plastique dans leau (peu de perte en

cas de crue ou de vandalisme) Inconvnients :

Difficult de mesure dans les coulements turbulents Attnuation du signal pneumatique

Les capteurs de pression

Les capteurs de pression bulle bulle

patm

patm

P water level

ptube= patm + pvwater level

patm pptube

m

Water level

Principe de mesure

Principe : Mesure du temps de parcours aller-retour dune

onde ultrasonore La hauteur (h) du plan est dduite du temps de

propagation londe vers plan deau : h = c*T/2 2 types :

capteurs immergs capteurs ariens

Avantages : Mesure des coulements chargs (ultra-son

arien) ou bien mesure sans contact. Inconvnients :

facteurs dinfluence de difficile prendre en compte : T, salinit, vent, (ncessit de lisser et de caler priodiquement les valeurs)

Les capteurs limnimtriques

Capteurs ultra-sons

Principe identique lultra-son : Avantages :

Mesure sans contact Mesure non affecte par la T ou lHumidit Facile installer

Inconvnients : Cout

Les capteurs limnimetriques

Capteurs Radar

La mesure des dbits

A PARTIR DES JAUGEAGES

Jaugeage = Ensemble des oprations, des mesures et des calculs destins dterminer le dbit d'un cours d'eau, d'un canal, d'une conduite, d'une source en un point donn. Sur un cours d'eau, ce point est appel "station de jaugeage".

La mesure des dbits

les mthodes globales, dans lesquelles Q est mesur directement: mthode volumtrique, seuils jaugeurs, dilution chimique, lectromagntisme;

les mthodes incompltes, dans lesquelles le champ des vitesses est explor de faon partielle: ultrasons, bateau mobile, flotteurs;

les mthodes compltes, dans lesquelles les trois composantes Hm, L, U sont mesures sparment : essentiellement moulinet hydromtrique, ADCP.

Q (m3 s-1) = V (m.s-1) x S (m2)

Les mthodes globales

Mesure volumtrique Seuils jaugeurs ou dversoirs

But : Passage travers un ouvrage gomtrie connue (seuil, canal, dversoir)

et calibr.Application des lois de l'hydraulique Q=f(h)

Dtermination de la courbe de tarageLa formule est donne suivant la nature de louvrage, sa gomtrie et le rgime de lcoulement

Principe : Obtenir un rgime critiqueRelation univoque entre le dbit Q et la charge h (hauteur au-dessus du seuil)Relation aussi stable que possible.

Mesure h

Dversoirs

Exemple de relation Q=f(h) :

hQ

Quand les dbits sont trs faibles, toute l'eau peut tre

conduite vers un dversoir spcialement talonn.

Seuil

Canal venturi

Q = K C Hnavec K: coefficient de dbit li H; C et n : paramtres dpendant des caractristiques du seuil

Seuils jaugeurs : jaugeurs Parshall

Effet du rtrcissement dun seuil

Seuils jaugeurs : jaugeurs Parshall

Les mthodes globales

Jaugeages chimiques

Q : dbit du cours d'eauq : dbit de la solution mreC1 : concentration de la solution mreC2 : concentration du traceur la section de prlvement

injection instantane (ou par intgration) ou bien par injection continue

Injectiondun traceur [C1] Q Q=k.C1/C2

Prlvementdu traceur [C2]

Mthode plutt adapte aux rivires forte pente, au lit irrgulier o lcoulement est fortement turbulent

Les mthodes incompltesMthode ultrasonique

Mthode Ultrasonique corde

C : vitesse de propagation du son dans le fluideV : vitesse du fluideL :distance entre metteur et rcepteur

coulements turbulentsBonne prcisionCout levMesure sur une corde (donc mesure de hauteur deau ncessaire)Bief de mesurage rectilignecoulement peu charg (MES, vgtation, bulles entrainent attnuation du signal acoustique)Stabilit du lit (dtermination de la surface mouille avec le profil en travers)

Un metteur et un rcepteur sont monts enopposition. La vitesse du son allant del'metteur au rcepteur constitue la vitesseintrinsque du son, plus un apport d lavitesse du fluide. La mesure du temps t mispar le signal pour parcourir la distance Lpermet de connatre la vitesse du fluide etd'en dduire le dbit

Mthode Ultrasonique effet Doppler

Mesure horizontale sur un cone en travers de la rivire.Mesure les vitesses differents points sur la largeur.

Mthode Ultrasonique effet Doppler

Mthode Ultrasonique effet Doppler : lADCP (mthode complte)

Quest-ce quun ADCP?

Acoustic Utilisation dune onde sonore Doppler Effet Doppler appliqu la

mesure de vitesse Current - Mesure de la vitesse de leau Profiler - Mesure dun profil de vitesse, pas

dune vitesse ponctuelle

Le jaugeage lADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) : Une technique rcente (environ 10 ans) Principe : vitesse de leau mesure partir des particules

en suspension, par effet Doppler Prix : environ 25 000 euros

ADCP (Modle WorkHorse de RDI)

Mthode Ultrasonique effet Doppler : lADCP

Transducer

Acousticpulse

Magnified viewof scatterers

Le jaugeage lADCP : principe

Mesure de la vitesse faite par rapport lADCP

Vitesse mesure grace aux particules en suspension dans la colonne deau

Mesure de la vitesse de leau et du dplacement de lADCP

Vitesse du dplacement de lADCP par rapport au fond (rflections du fond)

Mthode Ultrasonique effet Doppler : lADCP

Side lobe Main beam Side lobe

DraftBlankingdistance

Areaof

measureddischarge

Side lobeinterference

Streambed

Maximumslantrange

JAUGEAGES AUX FLOTTEURS : Mthode incomplte

Il s'agit dans cette mthode de mesurer uniquement des vitesses desurface, ou plus exactement les vitesses dans la tranche superficiellede l'coulement (les 20 premiers centimtres environ).

Les flotteurs peuvent tre soit artificiels (bouteilles en plastiques)soit naturels (arbres, grosses branches, etc.).

Le dplacement horizontal d'un flotteur de surface durant un temps tpermet de dterminer la vitesse de l'coulement de surface.

Plusieurs mesures de vitesse du flotteur doivent tre ralises.

La moyenne de ces mesures est ensuite multiplie par un coefficientappropri pour obtenir la vitesse moyenne de l'lment de section.

Jaugeages aux flotteurs : exemples de flotteurs

Tout corps naturel ou artificiel port par l'eau, partiellement ou entirement immerg, dont les mouvements verticaux indiquent les variations du niveau de l'eau, et dont le dplacement horizontal indique la vitesse de l'eau la surface ou diverses profondeurs.

Jaugeages aux flotteurs : mthode de mesure

Jaugeages aux flotteurs : dpouillement

Jaugeages aux flotteurs : calcul de la vitesse des flotteurs

Les mthodes compltesJaugeages au moulinet

Jaugeages au moulinet : Les supports de moulinet

Jaugeages au moulinet : Dplacements du support de moulinet

Courantometre Electromagntique

Courantometre Electromagntique

Principe de Faraday : si un liquide conducteur, anim d'une vitesse V l'intrieur d'un tube (dont le diamtre D est lectriquement isol), traverse perpendiculairement un champ magntique B, une tension U est induite dans ce liquide. Cette tension est capte par deux lectrodes qui mesurent : U = D B. V

B V

LdS

a

a F

A

B

Si la force F est dans la mme direction que la longueur du fil (il sagira de la longueur du conducteur entre les 2 lectrodes dans le cas du courantomtre), alors toute la composante de cette force sert pousser les lectrons le long du fil. Dans le cas plus gnral o la direction d'un lment du fil dl n'est pas la mme que celle de la force, il faut calculer la composante de la force le long du fil pour obtenir 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 lectrons jusqu' ce qu'un champ lectrique oppos se cre dans le conducteur.Or F = q (V x B ),Donc UAB = q. V. B. sin(V,B). LAB. cos(a)Le courantomtre lectromagntique peut ainsi fournir la valeur de la vitesse du courant : V. sin(V,B). cos(a) = Valeur mesure pour le courantomtre lectromagntiqueIl faudra donc toujours veiller ce que la vitesse du courant se fasse dans un plan horizontal (sin=1) et garder lesprit que linstrument de mesure doit tre orient suivant la direction du vecteur vitesse (cela peut aisment se faire en recherchant lorientation pour laquelle la vitesse mesure est maximale pour un point de mesure donn (cos(a)

Courantometre ultrason

Dbitmtrie- partir de jaugeages

Q= section

l)dpdlV(p,

pl

par exploration du champs de vitesses : On dtermine la vitesse en diffrents points de la section mouille avec un matriel spcifique (moulinet, saumon, perche,courantomtre)

Q = Vitesse moyenne de lcoulement * Aire (section mouille)

Mesures de vitesses ponctuelles + mesure de la section dcoulement

HliceV = f(nbe de tours/dt)

saumon

dpdl

Jaugeages au moulinet : jaugeage par exploration du champ des vitesses

Dtermination du dbit d'un cours d'eau en mesurant, dans une section droite, la vitesse du courant en un certain nombre de points dont on mesure galement la profondeur, et en faisant la somme des produits des vitesses moyennes par les aires lmentaires auxquelles elles s'appliquent.

Technique hydromtrique traditionnelle = plonger dans le cours d'eau, face au courant, un moulinet hlicodal, puis relever les vitesses du courant en des points nombreux sur plusieurs verticales de la section mouille, pour calculer la vitesse moyenne. // Application ponctuelle, hors inondation.

Rivire Station Jaugeage n

Date Hlice

Commentaire Heure D .. H.

F .. H.

Position Profondeur N T m.s-1 Commentaires

Jaugeages au moulinet : Feuille de jaugeage

Jaugeages au moulinet : Dpouillement du jaugeage

Jaugeages au moulinet : Dpouillement du jaugeage

Jaugeages au moulinet : Dpouillement du jaugeage

SOURCES DINCERTITUDES ET ERREURSJaugeages avec un moulinetPrendre une hlice dont on ignore l'quationConstante du saumon mal connueMauvaise orientation de l'hliceMauvais choix de la sectionHlice ne correspond pas au moulinetHlice ne correspond pas la vitesseNe pas garder la mme position lors des mesuresQuand on ne fait pas la correction des angles (cble et treuil)Le cercle hydrographique n'est pas bien rglJaugeages lADCPMauvaise apprciation de la laisse (des berges non mesures)Mauvaise apprciation de la profondeur de l'ADCPMauvais choix de taille de cellule et du nombre de cellulesLa stabilit du bateau lors des mesuresLa vitesse de dplacement du bateauPour tous les types de jaugeagesL'utilisation d'un stylo au lieu d'un crayon HB sur le terrain

COMMENT MINIMISER LES ERREURSPlus on pratique, moins on fera d'erreurPlus le matriel sera en bon tat, moins on fera d'erreur (entretien rgulier du matriel)Plus on a de verticales, mieux on apprcie la section mouille et moins on fait d'erreur sur la valeur du dbitPlus la section est rgulire, moins on fait d'erreur

ERREUR LORS DU DEPOUILLEMENTUtilisation d'une mauvaise formuleOubli de prendre en compte de la constante de fondLe mauvais dessin des parabolesLe mauvais choix des chellesLe mauvais planimtrage Le mauvais choix des unitsLe mauvais choix de fichier ADCPLa mauvaise criture sur le terrain L'oubli de prendre la cte l'chelle

Utilisation de lois dhydraulique fluviale en rgime permanent uniforme :

Il est possible dutiliser la formule de Manning-Strickler sous lhypothse dun rgimepermanent, ce qui peut tre considre comme valable lorsque lon tudie un trononde rivire relativement court. De plus, si lon fait lhypothse dun rgime uniforme, lapente de la ligne dnergie J est gale la pente du fond I de la rivire, ce qui permetdestimer le dbit qui scoule sur un tronon de rivire travers la section S

Formule de Manning-Strickler, avec Q le dbit, K le coefficient de Strickler, S lasection mouille, Rh le rayon hydraulique, J est la pente de la ligne dnergie et I estla pente du fond.

La Rugosit

Formule de Manning-Strickler (coulement uniforme):Q = S*V = S*(Rh2/3 * i1/2 * 1/n)S : Surface mouilleRh : Rayon hydrauliquei : Pente hydraulique (pente de la ligne deau)

n : Coefficient de Manning-StricklerK = 1/n : Coefficient de rugosit

Diapositive numro 1Diapositive numro 2Diapositive numro 3Diapositive numro 4Diapositive numro 5Diapositive numro 6Diapositive numro 7Diapositive numro 8Diapositive numro 9Diapositive numro 10Les capteurs hydromtriquesDiapositive numro 12Diapositive numro 13Diapositive numro 14Diapositive numro 15Diapositive numro 16Diapositive numro 17Diapositive numro 18Diapositive numro 19Les capteurs de pressionLes capteurs de pression Les capteurs de pressionDiapositive numro 23Les capteurs limnimtriquesLes capteurs limnimetriques La mesure des dbits La mesure des dbitsDiapositive numro 28Diapositive numro 29Diapositive numro 30Diapositive numro 31Effet du rtrcissement dun seuilDiapositive numro 33Diapositive numro 34Diapositive numro 35Diapositive numro 36Diapositive numro 37Diapositive numro 38Diapositive numro 39Quest-ce quun ADCP?Diapositive numro 41Diapositive numro 42Diapositive numro 43Diapositive numro 44Diapositive numro 45Diapositive numro 46Diapositive numro 47Diapositive numro 48Diapositive numro 49Diapositive numro 50Diapositive numro 51Diapositive numro 52Diapositive numro 53Diapositive numro 54Diapositive numro 55Diapositive numro 56Diapositive numro 57Diapositive numro 58Diapositive numro 59Diapositive numro 60Diapositive numro 61Diapositive numro 62Diapositive numro 63Diapositive numro 64Diapositive numro 65Diapositive numro 66Diapositive numro 67Diapositive numro 68Diapositive numro 69Diapositive numro 70Diapositive numro 71