mesurage de la quantité des eaux superficielles et des ... · pdf fileniveaux...

5.1 NIVEAUXDESCOURSD’EAUDESLACSETDESRÉSERVOIRS

5.1.1 Généralités

Le niveau d’eau ou la hauteur d’eau est la hauteur de la surface de l’eau d’un cours d’eau d’un lac ou d’une autre masse d’eau relativement à un plan de référence (ISO, 1988b) et peut être utilisé directe-ment pour la prévision des écoulements, pour délimiter les zones exposées aux inondations et pour la conception d’ouvrages hydrauliques ou qui soient proches d’une masse d’eau. Par leurs rela-tions avec les débits des cours d’eau ou les volumes d’eau contenus dans les réservoirs et les lacs, les niveaux d’eau constituent l’information de base pour la détermination des débits ou des stocks. Ce sujet est développé en profondeur dans le Manual on Stream Gauging (WMO-No. 519).

Les critères de choix pour l’emplacement de la station devraient répondre à l’objectif final des observations qui y seront effectués et à son accessi-bilité. Les conditions hydrauliques constituent également un facteur important pour le choix du site le long de cours d’eau, particulièrement lorsque les niveaux d’eau sont utilisés pour le calcul des débits. Les stations sur les lacs et les réservoirs sont normalement situées près des exutoires, mais suffisamment en amont pour éviter l’influence du phénomène d’abaissement du niveau dû à l’augmentation de la vitesse.

5.1.2 Instrumentsdemesureduniveau[SHOFM C71]

5.1.2.1 Instrumentsnonenregistreurs

Plusieurs types de limnimètres non enregistreurs sont utilisés en hydrométrie pratique pour la mesure du niveau d’eau. Les plus courants sont les suivants: a) Échelle limnimétrique verticale graduée; b) Rampe ou échelle inclinée;c) Sonde à câble lesté installée sur une construction

au-dessus du cours d’eau;d) Perche graduée, ruban, fil ou pointe limni-

métrique pour mesurer la distance à la surface de l’eau;

e) Échelle à maxima pour mesurer la hauteur de la pointe de crue par un flotteur de liège regranulé

adhérent à une échelle graduée, maintenue en position fixe par rapport au zéro.

5.1.2.2 Instrumentsenregistreurs

De nombreux types d’instruments enregistrant en continu sont utilisés. On peut les classifier selon leur mode de fonctionnement et d’enregistrement.

On utilise couramment une installation comportant un puits de mesure relié au cours d’eau par des conduites, avec dans le puits un flotteur raccordé à la poulie commandant le dispositif d’enregistrement par une chaînette perlée ou un ruban perforé. Dans les cours d’eau rapides il peut être nécessaire d’installer des tubes de prise d’eau statiques à l’extrémité des conduites de raccordement pour éviter le phénomène d’abaissement du niveau d’eau dans le puits.

L’enregistreur peut être mécanique ou électronique. Les enregistreurs dont la poulie est reliée à une mine ou à une plume, la mine ou la plume s’appuyant sur un diagramme entraîné par un mouvement d’horlogerie sont encore communément utilisés et ont prouvé leur fiabilité. Les échelles de temps et de niveau choisies pour une station particulière dépendent de la gamme de variation du niveau, de la sensibilité de la relation entre niveau et débit, et des caractéristiques de l’écoulement du bassin. Une fois de retour au bureau principal, le diagramme peut être numérisé de telle sorte que les données puissent être entrées dans un ordinateur. La poulie peut aussi être directement reliée à un encodeur, ce dernier fournira des valeurs analogiques ou digitales qui peuvent être lues et stockées par un enregistreur automatique de données.

Divers types de limnigraphes enregistreurs à pres-sion, d’usage fréquent, fonctionnent selon le principe que la pression en un point fixe du lit du cours d’eau est proportionnelle à la plus grande hauteur de l’eau au-dessus de ce point. Cette relation est décrite par l’équation suivante:

Niveau d’eau = (Pstatique – Patm) C (5.1)

où Pstatique est la pression en bar en un point fixé de la colonne d’eau (il faut s’assurer que l’on ne mesure aucune forme de pression dynamique due

MesuragedelaquantItédeseauxsuperfIcIellesetdessédIMents

CHAPITRE 5

GUIDE DES PRATIQUES HYDROLOGIQUESI.5-2

au mouvement de l’eau), Patm est la pression atmo-sphérique en bar à la surface de la colonne d’eau, et C un facteur dépendant de la masse volumique de l’eau (C = 10,2 pour l’eau douce à 20 °C), qui dépend de la température et de la salinité de l’eau. Certains limnimètres utilisent un système de purge de gaz pour transmettre la pression au capteur. On peut laisser une petite quantité d’air ou de gaz inerte (par exemple de l’azote) s’échapper en bouillonnant à travers une conduite ou un tuyau jusqu’à une ouverture débouchant dans le cours d’eau. La pres-sion de l’air ou du gaz déplaçant l’eau dans la conduite est alors mesurée et enregistrée. D’autres limnimètres utilisent des transmetteurs de pression placés directement dans le lit de la rivière. La compensation pour la pression atmosphérique est réalisée en extrayant de l’air par un petit tube de ventilation dans la conduite, ou en le mesurant avec un autre capteur en surface. L’avantage princi-pal des limnigraphes à pression est de se passer de puits de mesure, quoiqu’une mauvaise orientation du capteur par rapport au courant puisse causer des erreurs significatives, et que, en particulier, les systèmes à purge de gaz ne soient pas sensibles aux matières en suspension si leur concentration est dans la gamme considérée normale pour un envi-ronnement naturel. Des précautions doivent être prises lors du placement du capteur de pression ou de la jauge à bulle sur le lit de la rivière. Il est important de s’assurer que cet élément ne bougera pas et qu’il subit uniquement la pression statique. La correction pour les changements de tempéra- ture et de pression atmosphérique à la surface est également critique.

Deux types de limnimètres enregistreurs d’usage récent sont ceux utilisant des capteurs ultraso-niques et radars. Le capteur ultrasonique est basé sur la vitesse de propagation d’une impulsion de fréquence ultrasonique (> 20kHz), produite par un émetteur situé dans une structure placée au-dessus d’un lac ou d’une rivière. Quand l’impulsion atteint la surface de la masse d’eau, elle est réfléchie vers le capteur. Le temps T écoulé entre le moment où l’impulsion est émise et le moment de récep-tion de l’écho par le capteur est directement proportionnel à la distance d entre le capteur et la surface de l’eau, et inversement proportionnel à la vitesse de l’impulsion dans l’air. Il peut être calculé comme:

T = 2d/v (5.2)

Comme la vitesse du son dépend de la température de l’air, il est nécessaire d’introduire un facteur de correction pour obtenir une valeur précise. Le capteur radar est analogue au capteur ultrasonique,

mais utilise de hautes fréquences (aux alentours de 20 GHz). Son avantage réside dans le fait que pour les fréquences plus hautes, la vitesse de propagation de l’impulsion n’est pas affectée par la température de l’air.

Le niveau de l’eau peut être enregistré sur un enre-gistreur graphique (analogique). Il peut aussi être enregistré de façon digitale selon des intervalles de temps fixes ou déclanchés.

5.1.3 Méthodesdemesuredesniveaux

5.1.3.1 calageduzérodel’échelle

Une échelle devrait être implantée de façon à ce que sa graduation «zéro» soit au-dessous du niveau le plus bas que puisse atteindre le cours d’eau, afin d’éviter les lectures négatives. Le zéro de l’échelle devrait faire l’objet d’une vérification annuelle à partir de repères de niveau voisins. Il est important de conserver le même zéro pendant toute la période d’observation. Le zéro de l’échelle devrait être rattaché dans la mesure du possible, à un repère national ou régional. La localisation précise des repères devrait être soigneusement documentée.

5.1.3.2 limnigraphesenregistreurs

L’enregistreur graphique, numérique, électronique ou de télémesure est réglé par référence à une échelle ou un limnimètre auxiliaire à flotteur situé à l’intérieur du puits de mesurage. De plus, une échelle droite ou inclinée, ou un limnimètre à fil, ajustés au même zéro, est nécessaire pour comparer le niveau dans le puits avec celui du cours d’eau. Pour les limnigraphes fonctionnant avec un purgeur de gaz sans puits de mesurage, l’échelle droite, incli-née ou le limnimètre à fil de la rivière servent d’échelle de référence. De petites différences pour-ront être constatées du fait de la vitesse de l’eau à l’extrémité de la conduite de raccordement au puits. Des différences importantes indiquent que cette conduite est plus ou moins bouchée.

5.1.3.3 utilisationdeslimnigraphesenhiver

a) Appareil à flotteur – Pour obtenir des relevés du niveau en hiver avec ce type d’appareil, il faut empêcher la glace de se former dans le puits. On peut pour cela chauffer ce puits par exemple à l’électricité ou au gaz. On peut également installer un plancher provisoire à l’intérieur du puits juste en dessous de la hauteur de la ligne de gel, et installer un tube vertical sans fond, de diamètre assez large pour recevoir le flotteur, à

CHAPITRE 5. MESURAGE DE LA QUANTITé DES EAUX SUPERFICIELLES ET DES SéDIMENTS I.5-3

l’intérieur duquel on déposera une couche de mazout sur la surface de l’eau;

b) Limnigraphe à pression à servomanomètre et fléau asservi – Ce type d’appareil se passe de puits de mesurage et de tout autre moyen de fonctionnement sensible au gel. Toutefois, le tube ou le câble pénétrant dans l’eau doit être protégé de la glace.

5.1.4 Fréquencedesmesuresdeniveau

La fréquence des relevés de niveau est déterminée par le régime hydrologique du cours d’eau et par les objectifs visés par la collecte des données. Aux stations limnimétriques effectuant des enre-gistrements continus les mesures horaires sont généralement suffisantes pour la plupart des rivières. Pour les cours d’eau de taille réduite ou à variations rapides, ou pour les bassins hydro-graphiques urbains le niveau doit être enregistré plus souvent afin d’obtenir un hydrogramme suffisamment précis. En général on recommande d’enregistrer le niveau aussi fréquemment que possible dans la limite imposée par les capacités de la batterie et de la mémoire. La mise en place de limnigraphes enregistreurs du niveau d’eau est essentielle pour les cours d’eau dont le niveau est sujet à des fluctuations brutales. Des limnimètres non enregistreurs sont fréquemment utilisés dans les systèmes de prévision de crues, quand un observateur peut relever et transmettre la cote du niveau. Lorsque les objectifs visés sont la prévision ou la gestion des crues, il est possible d’utiliser des appareils de télémesure pour transmettre les données chaque fois que le niveau change par rapport à une valeur fixée d’avance.

Pour certains objectifs, il suffit d’avoir les cotes maximales atteintes durant les crues et on utilise alors des échelles à maxima. Dans les lacs et réser-voirs une observation quotidienne est en général suffisante afin de calculer les variations de stock. Le pas de temps des observations pour une station déterminée est choisi en fonction de la vitesse avec laquelle le niveau peut changer et de son influence sur la variation du débit. Les cours d’eau à variation rapide demandent des pas de temps courts, alors que les grands cours d’eau s’accommodent de pas de temps plus longs (ISO, 1981).

Les données provenant de capteurs de pression, de codeurs, ou d’autres appareils fournissant les données représentant le niveau de l’eau sous forme électronique peuvent être transcrites sur des enre-gistreurs électroniques de données (section 2.5). Grâce à des interfaces appropriées les données peuvent aussi être télétransmises à distance.

5.2 GLACESURLESCOURSD’EAU,LESLACSETLESRÉSERVOIRS

5.2.1 Généralités

Les observations des caractéristiques de la glace couvrant les rivières, les lacs et les réservoirs sont d’un grand intérêt dans les régions où la glace perturbe la navigation, où elle peut endommager les constructions et où se forment des embâcles (même jusqu’au point d’obstruer une rivière importante). En endiguant ainsi le passage du courant la glace peut localement créer d’importantes inondations. Les données à long terme sur les caractéristiques de la glace couvrant les rivières sont extrêmement utiles pour concevoir différents types d’ouvrages, pour étudier les processus de formation et de fonte de la glace, et enfin pour développer des méthodes de prévision de son apparition.

5.2.2 Élémentsdurégimedesglaces

Les éléments les plus importants à recueillir sur le régime des glaces sont les suivants: a) Dates auxquelles apparaissent chaque hiver les

premières glaces flottantes; b) Rapport de la surface couverte par la glace déri-

vante à la surface libre (rapport de la couverture de glace);

c) Rapport de la surface couverte par la glace dérivante à la surface couverte par de la glace fixe;

d) Dates auxquelles la glace devient immobile; e) Épaisseur de la glace; f) Caractéristiques de la dislocation de la glace; g) Époques de débâcle; h) Dates auxquelles la glace a complètement

disparu des cours d’eau et des réservoirs.

5.2.3 Méthodesd’observation

Plusieurs éléments mentionnés dans la section 5.2.2 ne peuvent pas être mesurés à l’aide d’instruments et doivent donc être évalués subjectivement et notés en langage clair et détaillé. C’est pourquoi il est important que les observateurs soient bien formés et que les instructions soient clairement préparées.

L’épaisseur de la glace peut être mesurée au moyen d’une tarière et d’une tige graduée en des sites repré-sentatifs de la rivière, du lac ou du réservoir. Afin de minimiser les erreurs dues à la variabilité spatiale de l’épaisseur de la glace, on devrait effectuer la moyenne des mesures, prises au moins en trois points espacés d’au minimum 5 m. La profondeur de toute couche de neige recouvrant la glace devrait, elle aussi, être mesurée.


Les repères kilométriques le long des rivières navi-gables ou des digues peuvent être utilisés pour localiser les sites où sont habituellement conduites les relevés concernant la glace. Les conditions parti-culièrement dangereuses (formation d’embâcles par exemple) doivent être identifiées par rapport à d’autres repères (par exemple: ponts, ouvrages d’art et ports).

Certaines caractéristiques du phénomène peuvent être déterminées au moyen de suivis photogram-métriques régulièrement menés à partir de la rive, ou grâce à des photographies aériennes. Dans le cas de cours d’eau importants ou de grands lacs, les observations aériennes sur la formation de la glace ou sur la débâcle sont particulièrement précieuses. Elles sont également utiles lors d’embâcles, lorsque l’on souhaite établir un système d’annonce de crue.

Afin de surveiller l’état de la glace sur un bief, une largeur de bande, s, et une hauteur de vol hƒ, peuvent être déterminés en fonction de la distance focale, Lƒ, de l’appareil photographique utilisé et de la largeur effective du film, l: hf = s(Lf /l). Comme Lf, qui est une constante des appareils photo-graphiques, est approximativement égal à 1,0, la largeur de bande est approximativement égale à l’altitude de vol. En prenant des photographies aériennes répétitives à quelques minutes d’inter-valle, on peut déterminer la vitesse de la dérive de la glace, ainsi que le rapport de couverture de glace. Si la moyenne de l’épaisseur de la glace est connue, le débit de glace peut aussi être calculé.

Les données télévisées et infrarouges obtenues par télédétection à partir de satellites météorologiques et d’étude des ressources terrestres sont aussi très utiles pour estimer l’état de la glace sur les lacs et les réservoirs (Prokacheva, 1975).

5.2.4 Datesetfréquencedesobservations

On procède à l’observation de l’état de la glace suivant la même périodicité que pour les mesures du niveau d’eau; l’épaisseur de la glace et la profon-deur de la neige sur les rivières importantes, les lacs et les réservoirs doivent, quant à elles, être mesurées tous les 5 ou 10 jours pendant les périodes critiques de formation et de débâcle de la glace. Des observa-tions aériennes sont effectuées pour répondre à des besoins spécifiques.

5.2.5 Précisiondelamesure

Les mesures concernant la glace ne sont pas très précises étant donné la difficulté des conditions

dans lesquelles elles sont réalisées. Cependant, l’in-certitude des mesures de l’épaisseur de la glace ne devrait pas dépasser 10-20 mm ou 5 %, la mesure qui s’avère la plus importante s’appliquant.

5.3 MESURAGESETCALCULSDESDÉbITS

5.3.1 Généralités[SHOFM E70]

Le débit d’une rivière, qui s’exprime en volume par unité de temps, est le flux traversant une section transversale du cours d’eau. Diverses méthodes peuvent être utilisées pour mesurer le débit instan-tané, le choix de la méthode dépendant des conditions propres à chaque site. Le plus souvent le débit sera mis en relation avec le niveau d’eau correspondant d’une station de jaugeage.

La précision de mesurage du débit dépend de la durée nécessaire pour l’effectuer, et de l’incidence de la variation du débit et de la hauteur d’eau pendant cette durée de temps. Les modifications des conditions à l’aval pendant le mesurage peuvent influencer son résultat et doivent être évitées.

5.3.2 Jaugeageaumoulinet[SHOFM C79, C85, C86, C88, E79]

La figure I.5.1. décrit la mesure du débit par la méthode des isotaches. La profondeur de l’écoule-ment dans la section transversale est mesurée en différentes verticales à l’aide d’une perche ou d’un câble de sondage. En mesurant la profondeur, les vitesses sont évaluées à l’aide d’un moulinet, en un ou plusieurs points de la verticale. La prise de mesure des largeurs, des profondeurs et des vitesses permet le calcul du débit de chaque secteur de la section transversale. La somme de ces débits partiels fournit le débit total (ISO, 1979b).

5.3.2.1 choixdusite

Il n’est pas nécessaire de faire le jaugeage à l’emplacement exact de l’échelle limnimétrique car en général le débit reste le même le long du bief d’un chenal au voisinage de l’échelle. Le site choisi pour le jaugeage devrait idéalement répondre aux conditions suivantes (ISO, 179b):a) Les lignes de courant sont en tous points paral-

lèles entre elles et sont perpendiculaires à la section de mesure;

b) Les courbes de répartition des vitesses dans la section sont régulières dans les plans horizon-taux et verticaux;

c) Les vitesses sont supérieures à 0,15 m s–1;


d) Le lit du chenal est régulier et stable;e) La profondeur est supérieure à 0,300 m; f) Il n’y a pas de végétation aquatique;g) La formation de bouillie de glace ou de sorbet

est minime (section 5.3.2.5.1).

5.3.2.2 Mesuredelasectiontransversale

L’exactitude d’un jaugeage de débit dépend du nombre de verticales utilisées pour mesurer la profondeur et la vitesse. Ces verticales d’observa-tion devraient être réparties de façon à définir au mieux les variations du lit du cours d’eau, ainsi que le gradient horizontal de vitesse. De façon générale, l’intervalle entre deux verticales successives ne devrait pas dépasser 1/20 de la largeur totale, et le débit partiel entre ces deux verticales ne devrait pas dépasser 10 % du débit total.

La largeur du cours d’eau et la distance entre les verticales devraient être mesurées à partir d’un point de référence fixe (en général un point de repère sur la berge) situé dans le plan de la section. Normalement la distance entre les verticales est mesurée à l’aide d’un ruban gradué ou d’un fil perlé tendu temporairement en travers du cours d’eau, ou à l’aide de repères provisoires peints sur la rambarde d’un pont ou sur un câble de suspension (ISO, 1979b). Pour les grandes rivières, les largeurs peuvent être obtenues à l’aide d’appareils de télé-mesure ou de techniques de triangulation.

Dans le cas d’une mesure à gué, la profondeur peut être lue directement sur une perche graduée repo-sant sur le fond. Si l’on utilise un système de sonde avec fil à plomb et tambour, on descend le moulinet

et le poids jusqu’à faire affleurer ce dernier à la surface de l’eau, et on règle le cadran de lecture de profondeur sur le zéro. Le poids est ensuite descendu jusqu’à ce qu’il repose sur le fond du lit du cours d’eau, et la profondeur se lit sur le cadran.

Si le poids suspendu au câble n’est pas assez lourd pour que ce dernier soit vertical par rapport à la surface de l’eau, l’angle entre le câble et la verticale devrait être mesuré au degré près avec un rappor-teur. La relation entre la profondeur vraie, d, et la profondeur observée, dob, en fonction de l’angle observé ϕ, et de la distance de la surface de l’eau au point de suspension du câble de mesure, x, est illus-trée sur la figure I.5.2 et est exprimée par la formule:

b1

d1

d2

d3 d4 d5

b2 b3 b4 b5

1 2 3 4 5

figureI.5.1.sectiontransversalederivièremontrantlalocalisationdespointsd’observation

ddob

x

x

x (sec ϕ

–1) ϕ

figureI.5.2.relationentreprofondeurréelledetprofondeurobservéedob


d = [dob – x (secϕ – l)][1 – k] (5.3)

Les valeurs de k fournies dans le tableau I.5.1 sont établies avec l’hypothèse que la poussée sur le poids dans l’eau plus calme près du fond est négligeable, et que le câble ainsi que le poids sont profilés de façon à offrir une faible résistance au courant. L’incertitude de cette estimation est telle que des erreurs significatives peuvent être commises si l’angle vertical dépasse 30°.

5.3.2.3 Mesuragedelavitesse[SHOFM C79, E79]

5.3.2.3.1 Compteurspourlamesuredelavitesse

La vitesse ponctuelle du courant se mesure généra-lement en comptant le nombre de révolutions du rotor d’un moulinet pendant un court intervalle de temps déterminé avec un chronomètre (ISO, 1979b). On utilise généralement deux types de moulinets, le moulinet à coupelles à axe vertical, et le moulinet à hélice à axe horizontal. Dans les deux cas, un dispositif de type conjoncteur-disjoncteur produit une impulsion électrique permettant le comptage du nombre de tours du rotor (ISO, 1988a). Des compteurs optiques sans contact sont aussi utilisés avec les moulinets à coupelles.

Les moulinets sont étalonnés de façon à couvrir la gamme des vitesses de courant à mesurer. Les procé-dures détaillées d’étalonnage sont décrites dans la norme ISO 3455 (ISO, 1976). Les moulinets peuvent avoir un étalonnage particulier ou un étalonnage général pour un modèle donné. Les moulinets étalonnés individuellement devraient faire l’objet d’un réétalonnage tous les trois ans ou après 300 heures de fonctionnement, ou si leur bon fonc-tionnement est douteux (Règlement technique (OMM-N° 49), Volume III, annexe).

5.3.2.3.2 Mesuredelavitesseaumoulinet

On mesure la vitesse en un ou plusieurs points sur chaque verticale en comptant le nombre de tours du moulinet durant une période d’au moins 30 secondes. Là où la vitesse est sujette à d’impor-tants fluctuations périodiques, il faudrait augmenter en conséquence la période de mesure (Règlement technique (OMM-N° 49), Volume III, annexe).

Pour les jaugeages à gué sur des chenaux peu profonds on devrait tenir le moulinet dans la posi-tion voulue avec une perche support. Si le chenal est trop profond ou rapide pour y pénétrer, il faudrait suspendre le moulinet à un câble ou une perche depuis un pont, un câble aérien ou un bateau. Si l’on utilise un bateau, le moulinet devrait être placé de façon à ne pas être soumis aux remous provoqués par le bateau. Lorsque le moulinet est placé au point choisi sur la verticale, il faudrait le laisser s’aligner avec la direction du courant avant de commencer le comptage. Si on ne peut éviter les courants obliques, il faudrait mesurer l’angle du courant avec la normale à la section en travers, et corriger la vitesse mesurée. Si l’angle avec la normale mesuré est γ, alors:

Vnormale = Vmesurée cos γ (5.4)

Le moulinet suspendu à un câble s’alignera automa-tiquement dans la direction du courant en raison des ailettes dont il est pourvu. Dans certains cas, comme lorsque l’on utilise un pont oblique comme section de mesure, les distances horizon-tales devraient être corrigées par la formule:

dnormale = dmesurée cos γ (5.5)

Il faudrait de temps à autre retirer le moulinet de l’eau pour l’examiner. On peut utiliser des mouli-nets spéciaux pour mesurer les vitesses très faibles, si leur fidélité et leur exactitude a été testée dans cette gamme de vitesses.

L’axe horizontal du moulinet ne devrait pas être placé à moins d’une fois à une fois et demie le diamètre de l’hélice par rapport à la surface de l’eau, ni à moins de trois fois ce diamètre par rapport au fond du lit du chenal. De plus, aucune partie du moulinet ne devrait traverser la surface de l’eau (Règlement technique (OMM-N° 49), Volume III, annexe).

5.3.2.3.3 Déterminationdelavitessemoyennesuruneverticale

La vitesse moyenne de l’eau sur une verticale peut être déterminée par l’une des méthodes suivantes:a) Méthode de distribution des vitesses;

tableauI.5.1.facteurdecorrectionkpourdifférentesvaleursdeϕ

ϕ k ϕ k ϕ k

4° 0,0006 14° 0,0098 24˚ 0,0256

6° 0,0016 16° 0,0128 26° 0,0350

8° 0,0032 18° 0,0164 28° 0,0408

10° 0,0050 20° 0,0204 30° 0,0472

12° 0,0072 22° 0,0248


b) Méthodes à partir d’un nombre réduit de points;c) Méthode par intégration.

Le choix de la méthode appropriée dépend du temps disponible, de la largeur et de la profondeur du cours d’eau, de la nature du lit, de la variation de la cote, de la présence éventuelle d’une couverture de glace et de l’exactitude recherchée.

Méthodededistributiondesvitesses

Par cette méthode, on calcule la vitesse moyenne à partir des vitesses mesurées en un certain nombre de points sur chaque verticale entre la surface de l’eau et le fond du lit. On reporte les mesures de vitesse en chaque point sur un graphique, et on détermine la vitesse moyenne en divisant l’aire ainsi formée par la profondeur. Lors de la réalisa-tion du graphique, on peut trouver nécessaire d’estimer les vitesses près du fond du lit, en suppo-sant que la vitesse est, jusqu’à une certaine limite distante du fond, proportionnelle au logarithme de la distance x par rapport à cette limite. Si l’on porte les vitesses mesurées près du fond sur un graphique en fonction de log x, on peut ajuster une droite avec les points représentés et, en extra-polant jusqu’au fond, lire sur ce graphique la vitesse près du fond.

La méthode de la répartition des vitesses peut ne pas convenir lorsqu’il y a eu une modification importante de niveau au cours du jaugeage, car le gain de précision apparent peut être plus qu’inva-lidé par les erreurs résultant de l’allongement du temps nécessaire au jaugeage.

La méthode de la répartition des vitesses est intéres-sante pour déterminer des coefficients à appliquer aux résultats obtenus par d’autres méthodes, mais elle n’est généralement pas adaptée aux mesures de débit de routine, ce en raison du temps nécessaire au calcul de la vitesse moyenne.

Méthodesàpartird’unnombreréduitdepoints

a) Méthode à un point – Il faudrait mesurer la vitesse sur chaque verticale aux six dixièmes de la profondeur à partir de la surface. La valeur mesurée devrait être adoptée comme vitesse moyenne sur la verticale. Lorsque la mesure est effectuée sous une couche de glace, cette méthode est applicable avec un coefficient de correction égal à 0,92 pour des profondeurs inférieures à 1 m. En cas de glace, on peut aussi placer le moulinet à la moitié de la profondeur en appliquant un coefficient de correction de 0,88 au résultat.

b) Méthode à deux points – Pour chaque verticale, les mesures de vitesse devraient être faites aux deux et huit dixièmes de la profondeur à partir de la surface. La moyenne de ces deux mesures devrait être prise comme vitesse moyenne sur la verticale.

c) Méthode à trois points – Les mesures de vitesse sont faites sur chaque verticale aux deux, six et huit dixièmes de la profondeur à partir de la surface. La moyenne des trois valeurs obtenues est prise comme vitesse moyenne de la verti-cale. On peut aussi pondérer la vitesse mesurée aux six dixièmes de la profondeur et la vitesse se calcule alors à l’aide de l’équation suivante:

v_ = 0,25 (v0,2 + 2v0,6 + v0,8) (5.6)

d) Méthode à cinq points – Il s’agit ici de mesurer la vitesse sur chaque verticale aux deux, six et huit dixièmes de la profondeur à partir de la surface et aussi près que possible de la surface et du fond. La vitesse moyenne peut être déterminée grâce à un graphique représentant le profil de vitesse comme pour la méthode de la répartition des vitesses, ou à l’aide de la formule:

v_ = 0,1 (vsurface + 3v0,2 + 3v0,6 + 2v0,8 + vfond) (5.7)

e) Méthode à six points – On mesure la vitesse sur chaque verticale aux deux, quatre, six et huit dixièmes de la profondeur à partir de la surface et aussi près que possible de la surface et du fond. Les observations sont reportées sur un graphique et la vitesse moyenne est déterminée comme pour la méthode de la répartition des vitesses, ou à l’aide de la formule:

v_ = 0,1 (vsurface + 2v0,2 + 2v0,4 + 2v0,6

+ 2v0,8 + vfond ) (5.8)

f) Méthode des deux dixièmes – Dans cette méthode la vitesse est observée aux deux dixièmes de la profondeur à partir de la surface. On applique un coefficient d’environ 0,88 à la vitesse observée pour obtenir la moyenne sur la verticale.

g) Méthode de la vitesse de surface – Dans cette méthode on observe la vitesse aussi près que possible de la surface. Un coefficient de surface de 0,85 ou 0,86 est appliqué pour calculer la vitesse moyenne sur la verticale.

La méthode à deux points est utilisée lorsque la distribution des vitesses est normale et que la profondeur est supérieure à 60 cm. La méthode à un point est utilisée pour les profondeurs infé-rieures. La méthode à trois points doit être utilisée


pour les mesures sous couverture de glace ou pour les chenaux encombrés par la végétation aqua-tique. La méthode à cinq points est utilisée lorsque la distribution verticale des vitesses est très irrégulière. La méthode à six points peut être utilisée dans les cas difficiles lorsque, par exemple, il y a de la végétation aquatique ou une couver-ture de glace. Elle peut être utilisée aussi lorsque la distribution verticale des vitesses est très irré-gulière. La méthode des deux dixièmes est principalement utilisée lorsqu’il n’est pas possible de positionner le moulinet aux huit ou six dixièmes de la profondeur. La méthode de la vitesse de surface peut être utilisée pour mesurer les courants dont la vitesse est telle qu’il n’est pas possible d’en sonder le fond. Dans ce cas une connaissance générale de la section de jaugeage, ou une mesure de la section dès que possible, peut être utilisée pour obtenir les profondeurs.

La précision d’une méthode particulière devrait si possible être déterminée en observant la vitesse à 6 ou 10 points de chaque verticale pour les premiers jaugeages réalisés sur une nouvelle station.

Méthodeparintégration

Dans cette méthode, on descend et on remonte le moulinet le long de chaque verticale à vitesse constante. La vitesse de déplacement du moulinet ne devrait pas dépasser 5 % de la vitesse moyenne du courant dans la section de jaugeage, et devrait être comprise dans tous les cas entre 0,04 et 0,10 m s–1. On détermine le nombre moyen de révolutions par seconde. Deux cycles complets sont réalisés sur chaque verticale et, si les résultats diffèrent de plus de 10 %, on répète la prise de mesure. Cette méthode est rarement utilisée pour des profon-deurs inférieures à 3 m et pour des vitesses inférieures à 1 m s–1. La méthode par intégration ne devrait pas être utilisée avec un moulinet à axe vertical car le mouvement vertical du moulinet affecte le mouvement du rotor.

5.3.2.4 calculdudébit

Méthodesarithmétiques

a) Méthode de la section moyenne – On consi-dère la section de jaugeage comme formée d’un certain nombre de secteurs limités chacun par deux verticales. Si v

_1 est la vitesse moyenne sur

une première verticale et v_

2 la vitesse moyenne sur une seconde verticale, et si d1 et d2 représen-tent les profondeurs totales respectives de ces deux verticales 1 et 2, si b, enfin, est la distance

horizontale entre les deux verticales, alors le débit q du secteur limité par 1 et 2 est:

(5.9)

Le débit total est obtenu en faisant la somme de tous les débits partiels.b) Méthode de la section médiane – Le débit de

chaque secteur est calculé en multipliant vd pour chaque verticale par une largeur qui est en fait la demi-somme des distances entre deux verticales adjacentes. La valeur de d pour les deux demi-largeurs voisines des berges peut être estimée. Suivant la figure I.5.1 on peut calculer le débit total Q de la façon suivante:

(5.10)

Méthodesgraphiques

a) Méthode par intégration double (profondeur-vitesse) – On trace tout d’abord pour chaque verticale la courbe profondeur-vitesse dont la surface représente le produit de la vitesse moyenne par la profondeur totale. La valeur de ce produit pour chaque verticale doit alors être reportée au-dessus de la ligne latérale figurant le plan d’eau et une courbe est tracée à partir des points ainsi obtenus. La surface délimitée par cette courbe représente le débit dans la section.

b) Méthode des isotaches (contours des vitesses) – À partir des courbes profondeur-vitesse rele-vées sur chaque verticale, un graphique de la répartition des vitesses sur la section de jaugeage est établi en traçant les courbes d’égale vitesse (ou isotaches). Partant du maximum, les surfaces comprises entre les courbes d’égale vitesse et la ligne figurant le niveau de l’eau devraient être mesurées et reportées sur un autre graphique, avec en ordonnée la vitesse et en abscisse la surface correspondante. La surface définie par la courbe vitesse-surface ainsi établie représente le débit dans la section transversale (ISO, 1979b).

5.3.2.5 Jaugeagesouscouchedeglace

Pour faire des jaugeages sous une couche de glace, il est nécessaire de connaître les instruments et les méthodes déjà décrits dans les sections 5.3.2.1 à 5.3.2.4. Les sections ci-après ne décrivent que le matériel et les méthodes particulières pour les jaugeages sous la glace.

q =v1 + v2

2⎛⎝

⎞⎠

d1 + d22

⎛⎝

⎞⎠ b

Q = v1d 1b 2 + b1

2⎛⎝

⎞⎠ + v 2d 2

b1 + b 22

⎛⎝

⎞⎠ + K

+ v nd nb n + b n–1

2⎛⎝

⎞⎠


5.3.2.5.1 Choixdusite

Il est recommandé de choisir des sections de jaugeage de rechange pendant la saison des eaux libres, lorsqu’on peut examiner le lit du cours d’eau. Dans certains cas, on pourra utiliser la même section en hiver et en été, mais il est plus important d’avoir un bon jaugeage en hiver que d’utiliser la même section en toutes saisons. Après avoir choisi une section de jaugeage, on creusera des trous de recon-naissance à tous les quarts de la section pour détecter la présence éventuelle de bouillie de glace ou une mauvaise répartition du débit. On évitera, si possible, les sites où l’on risque de rencontrer du frasil, car d’une part les particules de glace gênent le fonctionnement du moulinet, et d’autre part l’épaisseur de la glace est alors difficile à mesurer. Il peut aussi y avoir à travers le frasil une faible circulation d’eau, difficilement mesurable par les méthodes habituelles.

Souvent, au cours des petites crues d’hiver, l’eau brise la glace et forme deux écoulements indépen-dants, l’un au-dessus, l’autre au-dessous de la glace. Il faudrait éviter de tels emplacements.

5.3.2.5.2 Équipement

a) Découpage des trous – Pour découper des trous dans de la glace épaisse, on utilisera de préférence une tarière à glace mécanique, une perceuse ou une tronçonneuse. Lorsque l’épais-seur est faible, on utilise un ciseau à glace.

b) Détermination de la profondeur réelle – La profondeur réelle sous la glace est égale à la profondeur totale de l’eau diminuée de la distance entre la surface de l’eau et le dessous de la couche de glace. On peut mesurer la distance entre la surface de l’eau dans le trou et la face inférieure de la couche de glace à l’aide d’une baguette à mesurer la glace ou «baguette à glace». Il s’agit d’une baguette graduée en forme de L de longueur appropriée. On appuie la branche courte du L sur la face inférieure de la glace et on lit à la surface la profondeur sur la branche longue graduée. Pour déterminer, s’il y en a, la profondeur à laquelle s’arrête la bouillie de glace sous la couche de glace solide, on descend le moulinet au-delà de ce niveau, là où il tournera librement, puis on le remonte lentement jusqu’à ce que sa rotation s’arrête. Le niveau atteint à ce moment est considéré comme celui de l’interface eau-bouillie de glace.

c) Moulinet et saumon – Lorsqu’on utilise une tarière ou une foreuse pour tailler les trous à travers la glace, on doit utiliser un moulinet et un saumon spéciaux qui sont passés à travers

le trou, en général d’un diamètre de 150 mm. Le matériel de jaugeage peut se composer de deux lests de plomb en forme de goutte d’eau, l’un au-dessus, l’autre en dessous du moulinet, ou d’un seul au-dessous. Lorsque le trou peut être réalisé de taille suffisante, on peut utiliser le moulinet et le saumon standard, comme indiqué à la section 5.3.2.3.1.

d) Fixation du moulinet – Le moulinet peut être fixé à une perche ou suspendu à un câble tenu à la main ou enroulé sur un treuil. On utilise généralement le câble lorsque la profondeur sous la glace est supérieure à trois ou quatre mètres. Le treuil est installé sur un support démontable monté sur patins. Dans des climats extrêmement froids, on peut équiper le support d’un réservoir d’eau chaude ou d’air chaud pour empêcher le givrage du moulinet au cours du déplacement d’un trou à l’autre. Pour de plus faibles profondeurs, où l’on utilise un moulinet sans gouvernail suspendu à une perche dans un trou foré, il faut déterminer la direction du courant de façon à bien orienter le moulinet.

5.3.2.5.3 Jaugeage

a) Espacement des verticales – Les indications de la section 5.3.2.2 s’appliquent également dans ce cas. Cependant, outre les variations de niveau du fond, il faut aussi tenir compte de celles de la couche de glace et de la couche de bouillie de glace pour choisir le nombre et l’em-placement des verticales. Si le courant se divise en plusieurs bras à cause de la bouillie de glace, il faudrait effectuer au moins trois verticales pour chaque bras.

b) Mesure de la vitesse – Il est recommandé de déterminer la répartition des vitesses sur deux verticales au moins, en faisant une mesure à chaque dixième de la profondeur réelle, afin d’évaluer les éventuels coefficients de correc-tion à appliquer aux formules utilisées en eau libre pour obtenir la vitesse moyenne sous une couche de glace. En eau peu profonde, on peut mesurer la vitesse en un seul point, aux cinq ou six dixièmes de la profondeur réelle, mais il faut généralement utiliser un coefficient de correction pour obtenir la vitesse moyenne. En eau plus profonde (plus d’un mètre), on peut faire deux mesures, aux deux et huit dixièmes de la profondeur réelle, ou trois observations aux quinze, cinquante et quatre-vingt cinq centièmes, ou encore six mesures aux deux, quatre, six, huit dixièmes et en deux points respectivement proches du fond et de l’interface eau-glace. Avec les méthodes des deux ou trois points, on peut utiliser la moyenne arithmétique


des observations comme moyenne le long de la verticale. Pour la méthode à six points, se référer à la section 5.3.2.3.3.

c) Remarques générales – Des mesures de sécu-rité appropriées devraient être respectées pour les jaugeages faits sur la glace. Par exemple, lorsqu’on se déplace sur la glace, on devrait s’assurer de sa solidité en la sondant avec un ciseau à glace au fur et à mesure de sa progres-sion. Au cas où la vitesse mesurée sous la glace est inférieure à la limite d’emploi du moulinet, il faut choisir la section de jaugeage dans un endroit où la vitesse est plus grande. Il faut s’assurer que le moulinet tourne librement, sans être gêné par la glace qui peut s’y accu-muler et geler lorsqu’on se déplace d’une verticale à l’autre. Au cours des jaugeages, il faudrait noter de façon détaillée les conditions climatiques et l’état de la glace sur le cours d’eau, en particulier au niveau des sections de contrôle. Plus tard, le calcul du débit entre les mesures en sera facilité.

5.3.2.5.4 Calculdudébit

Le calcul du débit sous la glace est le même qu’en eau libre, tel qu’il est décrit à la section 5.3.2.4, à cette différence près que l’on utilise la profondeur réelle de l’eau et non la profondeur totale.

5.3.2.6 exactitudedesmesures

La fiabilité de l’étalonnage du moulinet, les particularités de l’écoulement, le savoir-faire de l’opérateur et le nombre de mesures de profondeur et de vitesse conditionnent l’exactitude du jau-geage (ISO, 1981; 1985). En général, les jaugeages se font en mesurant la vitesse en deux points, et la profondeur sur 20 ou 25 verticales de la section de jaugeage. Pour ce genre de mesures, dans les condi-tions courantes d’écoulement, l’erreur type pour un niveau de confiance de 95 % est de 5 % (ISO, 1979b).

5.3.3 Méthodedejaugeageàl’aidedeflotteurs[SHOFM C86]

On devrait employer cette méthode dans les circonstances suivantes: lorsqu’on ne peut utiliser un moulinet à cause de la vitesse du courant ou de la profondeur inadéquates, ou lorsqu’une grande quan-tité de matières en suspension est présente, ou enfin lorsque le jaugeage doit se faire en très peu de temps.

5.3.3.1 choixdessections

Trois sections transversales devraient être choisies sur un tronçon rectiligne du cours d’eau.

L’espacement de ces sections devrait être suffisant pour que le temps de passage des flotteurs d’une section à l’autre, puisse être mesuré avec exactitude. On recommande un temps de 20 secondes, mais il est possible d’utiliser des temps plus courts pour de petites rivières à fortes vitesses, pour lesquelles il est souvent impossible de trouver une portion de lit rectiligne de longueur suffisante.

5.3.3.2 flotteurs

On peut utiliser des flotteurs de surface ou des bâtons lestés. La profondeur d’immersion des flot-teurs de surface ne doit pas dépasser le quart de la profondeur du cours d’eau. On ne devrait pas les utiliser si l’on pense qu’ils subiront les effets du vent. La profondeur d’immersion des bâtons lestés est supérieure au quart de la profondeur du cours d’eau. Ils ne doivent pas toucher le fond du lit. Des bois flottants ou des plaques de glace peuvent servir de flotteurs naturels lorsqu’il est dangereux de s’aventurer sur la rivière.

5.3.3.3 Méthodedemesure

Les trajets de flotteurs doivent être répartis réguliè-rement sur toute la largeur du cours d’eau. Les flotteurs devraient être lâchés assez loin en amont de la section transversale supérieure amont, afin qu’ils atteignent la première section avec une vitesse constante. Les temps de passage des flotteurs au droit des trois sections devraient être relevés avec un chronomètre. On devrait répéter l’opéra-tion à différents endroits sur toute la largeur du cours d’eau. La largeur du chenal devrait être divi-sée en segments de longueurs égales ou de débits approximativement équivalents. Le nombre de segments ne devrait pas être inférieur à trois, mais un minimum de cinq sera retenu chaque fois que cela sera possible. On peut mesurer la distance du flotteur à la rive, au moment où il passe au niveau de chaque section, par des moyens optiques appro-priés, par exemple à l’aide d’un théodolite.

La profondeur de l’eau à des points de la section transversale peut être déterminée par des mesures topographiques.

5.3.3.4 calculdelavitesse

La vitesse du flotteur est égale à la distance entre les sections transversales amont et aval, divisée par le temps de parcours. Au moins cinq valeurs de la vitesse du flotteur devraient être mesurées pour chaque segment et la moyenne de ces valeurs devrait être multipliée par un coefficient pour obtenir la vitesse moyenne de l’eau sur chaque


segment. Ce coefficient dépend de la forme du profil vertical des vitesses, et de la profondeur d’immersion du flotteur. Le coefficient appliqué à la vitesse mesurée en un site devrait être déter-miné, si possible, par l’analyse des jaugeages au moulinet réalisés en ce site. Quand de telles obser-vations ne sont pas disponibles, on utilisera le facteur d’ajustement F du tableau I.5.2 pour une estimation approximative.

On peut aussi tracer un diagramme des vitesses en fonction des distances à la berge, et on peut ainsi déduire la vitesse moyenne de surface sur la largeur du cours d’eau. La vitesse moyenne du courant dans la section est égale à la vitesse moyenne de surface multipliée par un facteur K, dont la valeur est, si possible, déduite de précédents jaugeages au moulinet pour de plus faibles débits.

tableauI.5.2.facteurd’ajustementFdelavitessedeflotteurenfonctiondeR,rapport

delaprofondeurd’immersionduflotteuràlaprofondeurdel’eau

R F

0,10 ou moins 0,86

0,25 0,88

0,50 0,90

0,75 0,94

0,95 0,98


Le débit dans chaque segment est calculé en multi-pliant la surface moyenne de la section transversale du segment par la vitesse moyenne de l’écoulement à travers ce segment. Le débit total est la somme de tous ces débits (ISO, 1979b).

5.3.4 Méthodedejaugeagepardilution[SHOFM E73]

Cette méthode de mesure de débit repose sur la détermination du degré de dilution par le cours d’eau d’un traceur qu’on y injecte. Elle est recommandée pour les sites où l’écoulement est particulièrement turbulent. Les deux principales méthodes de jaugeage par dilution utilisées sont la méthode à injection continue et la méthode à injection instantanée. Pour les deux méthodes, les conditions générales (section 5.3.4.1) sont identiques (ISO, 1973a; 1987).

C’est une méthode parfaitement acceptable pour le mesurage des débits aux sites où les conditions d’utilisation requises sont réunies.

5.3.4.1 conditionsgénérales

On injecte une solution d’un traceur stable dans le cours d’eau, soit selon un débit constant, soit d’un seul coup. La connaissance des facteurs suivants est indispensable au calcul du débit:a) Le débit d’injection pour la méthode à injec-

tion continue, ou la quantité totale injectée pour la méthode à injection instantanée;

b) La concentration du traceur dans la solution injectée;

c) L’étalonnage de la relation entre la concen-tration du traceur et la propriété (par exemple conductivité, couleur, ou radioactivité) enregis-trée au site de mesure après un bon mélange latéral du traceur.

L’exactitude de la méthode dépend essentiellement des conditions suivantes:a) Le mélange complet au site de prélèvement,

sur toute la largeur du cours d’eau, de la solution injectée. S’il s’agit d’une injection à débit constant, la concentration en traceur devrait avant tout être constante dans toute la section de mesurage. S’il s’agit d’une injec-tion globale, l’intégrale somme de 0 à T de c (c étant la concentration en traceur et T le temps de nécessaire au passage de tout le traceur en un point déterminé de la section) devrait être la même en tout point de la section.

b) Il ne doit y avoir ni absorption, ni adsorption du traceur injecté par les matériaux du fond, les sédiments, la flore ou la faune, ni non plus de décomposition du traceur dans le cours d’eau. La concentration devrait être mesurée à la section de prélèvement et au moins à une autre section en aval de celle-ci pour s’assurer qu’il n’y a aucune différence systématique de la concentration moyenne d’une section à l’autre.

5.3.4.2 choixdusite

Le principal critère de choix d’un site pour la mesure des débits par la méthode de dilution est le mélange total de la solution injectée dans le cours d’eau sur une courte longueur du chenal. Le mélange est favorisé par une forte rugosité du lit et également par les caractéristiques qui entraînent un forte turbulence du cours d’eau: chutes, coudes ou rétré-cissements brusques. Une petite injection de teinture de rhodamine ou de fluorescéine peut aider à évaluer les conditions de mélange au site de mesure. La présence d’importantes zones d’eaux


mortes entre le site d’injection et le site de prélève-ment risque d’affecter le mélange, de telle sorte que le traceur ne sera pas mélangé correctement dans la section du site de mesure.

5.3.4.3 traceursetmatérieldedétection

On peut utiliser comme traceur n’importe quelle substance si:a) Elle se dissout facilement dans l’eau du cours

d’eau aux températures ordinaires; b) Elle n’existe pas déjà à l’état naturel dans le

cours d’eau, ou alors en quantités négligeables; c) Elle ne se décompose pas dans l’eau du cours

d’eau, et n’est ni retenue, ni absorbée par les sédiments, la flore ou la faune;

d) Sa concentration peut être mesurée précisément par des méthodes simples;

e) Elle est inoffensive pour l’homme, les animaux et la végétation aux concentrations utilisées dans le cours d’eau.

Le traceur le meilleur marché est le sel de cuisine ordinaire. Lorsque l’on utilise la méthode d’injec-tion instantanée, la quantité nécessaire n’est pas très grande et la détection par des méthodes conductimétriques est assez simple.

Le bichromate de sodium est très utilisé pour les jaugeages par dilution. Sa solubilité dans l’eau est assez forte (600 kg par m3) et il répond à la plupart des conditions énoncées dans la section 5.3.4.1. L’analyse colorimétrique (ISO, 1987) permet d’en mesurer de très faibles concentrations.

La solubilité du chlorure de lithium dans l’eau est de 600 kg par m3 et la photométrie de flamme permet de déceler des concentrations de chlorure de lithium aussi faibles que 10–4 kg par m3.

Sont également utilisés, l’iodure de sodium, le nitrite de sodium et le sulfate de manganèse.

La rhodamine WT est largement utilisée aux États-Unis d’Amérique pour les jaugeages par dilution. Son absorptivité est bien meilleure que celle des autres teintures de rhodamines. On peut mesurer la concentration de cette teinture à l’aide de fluoro-mètres commerciaux qui peuvent déceler des concentrations de 5 à 10 parties par milliard.

On a utilisé comme traceurs des éléments radioactifs tels que le brome 82, l’or 198, l’iode 131 et le sodium 24. Avec un compteur ou un dosimètre muni d’une sonde de mesure plongée dans le courant ou dans une cuve standard de mesure, on peut détecter des concentrations de l’ordre 10–9. Bien que ces éléments

radioactifs constituent le type idéal de traceur pour la méthode de dilution, les risques pour la santé inhérents peuvent limiter leur emploi pour la mesure des débits en certains lieux.


Les équations utilisées pour le calcul du débit, Q, sont basées sur le principe de la conservation de masse du traceur:

(injection continue) (5.11)

et

(injection instantanée) (5.12)

où Qtr est le débit d’injection, ci la concentration de la solution injectée; cs la concentration à la section de prélèvement; V le volume de solution injectée et t le temps.

5.3.5 Estimationdudébitpardesméthodesindirectes[SHOFM E70]

5.3.5.1 généralités

Pendant les périodes de crue, il peut être impossible de mesurer directement les débits par suite de variations trop rapides de débit, de vitesses trop élevées, de la présence de trop nombreux débris, des profondeurs et des largeurs trop importantes, ou des conditions d’inondation qui rendent les routes impraticables ou interdisent l’accès aux instruments de mesure. Dans ces cas, il est possible de détermi-ner le débit de pointe après la décrue au moyen de calculs combinant des principes d’hydraulique bien connus avec des observations de terrain sur la configuration des chenaux naturels et des plus hauts niveaux atteints pendant la crue. Toutes ces méthodes impliquent la résolution simultanée des équations de conservation de masse et d’énergie. De tels calculs peuvent se faire sur des tronçons de cours d’eau, aux passages couverts passant sous les routes, sous des ponts, et sur les déversements au-dessus de barrages et de remblais routiers. Bien que les formules hydrauliques diffèrent pour chaque type d’écoulement, toutes les méthodes mettent en jeu les facteurs suivants: a) Caractéristiques géométriques et physiques du

chenal et conditions aux limites de la zone du bief utilisée;

b) Cote de la surface de l’eau au maximum de la crue afin de pouvoir déterminer la superficie de


la section transversale et la différence de cote entre deux points significatifs;

c) Facteurs hydrauliques, tels que les coefficients de rugosité fondés sur des caractéristiques physiques.

5.3.5.2 étudesurleterrain

Pour choisir le site le plus favorable à la détermina-tion du débit par l’une des méthodes indirectes, on effectue une reconnaissance (sur carte, par avion ou au sol dans la région étudiée). Ce site devrait être aussi proche que possible du lieu où l’on désire connaître le débit et il faudrait éviter les affluents importants ou les dérivations. Le site doit présenter les traces bien nettes des hautes eaux, permettant de déterminer le profil en long de la ligne d’eau au moment du maximum de crue.

Un relevé détaillé permet de définir les caractéris-tiques géométriques du chenal dans le bief choisi et à proximité, les profils en travers du chenal, les dimensions et caractéristiques des franchissements couverts, des ponts, des barrages, des routes ou autres ouvrages d’art, ainsi que la position et l’em-placement des laisses de crue. Tous les facteurs affectant la rugosité du lit sont notés, et on choisit des coefficients de rugosité. Des photographies des sections transversales et du bief devraient être prises pour faciliter l’étude au bureau des conditions de l’écoulement.

À partir des notes prises sur le terrain, on fait des dessins représentant le plan, les profils du lit du chenal et la surface des hautes eaux sur les deux berges, les sections transversales et les caractéris-tiques de tous les ouvrages d’art. On calcule les facteurs hydrauliques nécessaires, puis le débit.

5.3.5.3 Mesureparlaméthodedelapentedelaligned’eau

L’estimation par la méthode de la pente de la ligne d’eau se pratique sur un tronçon de cours d’eau choisi pour son caractère uniforme ou pour la variation uniforme de ses caractéristiques hydrau-liques (ISO, 1973b). Le débit se calcule à partir d’une équation d’écoulement uniforme, telle que celle de Manning, utilisant les caractéristiques du chenal, la pente de la ligne d’eau et les coefficients de rugosité.

5.3.5.4 Mesuredudébitdanslesfranchissementscouverts

Le débit de pointe à travers un franchissement couvert peut être calculé à partir des laisses de crue

définissant les cotes amont et aval, de la géométrie de l’ouvrage, et des pentes et des sections transver-sales définissant les conditions d’approche. Les relations entre charge et débit des franchissements couverts ont été définies par des recherches en labo-ratoire et des vérifications sur le terrain. Le débit de pointe est déterminé en appliquant les équations de continuité et de conservation d’énergie entre la section d’approche et une section située à l’intérieur du corps de l’ouvrage. Pour faciliter les calculs, les écoulements dans un franchissement couvert ont été classifiés en six types définis par l’emplacement de la section de contrôle et les hauteurs relatives des cotes amont et aval.

5.3.5.5 Mesuredudébitaurétrécissementd’unchenal

Le rétrécissement d’un chenal sous un passage traversant surélevé crée un abaissement brutal de la ligne d’eau entre une section d’approche et la section rétrécie sous le pont. Cette dernière, limitée par les culées du pont et le lit du chenal, peut servir de mesure pour évaluer les débits de crue. La pointe dans la section rétrécie est définie par les laisses de crue (en amont et en aval) et la géométrie du chenal et du pont est établie par des relevés topogra-phiques. L’équation donnant le débit s’obtient en combinant les équations de continuité et de conser-vation de l’énergie entre ces deux sections.

5.3.5.6 Mesuredudébitau-dessusd’undéversoir,d’unbarrageoud’unremblairoutier

Un déversoir, un barrage ou un remblai constituent généralement des sections de contrôle où le débit est en rapport avec la cote de la ligne d’eau en amont. On peut déterminer le débit de pointe à la section de contrôle en se basant sur un relevé topo-graphique des laisses de crue et sur la géométrie de l’ouvrage. Les méthodes employées sont issues des études des caractéristiques de débit des déversoirs, barrages et remblais menées en laboratoire et sur le terrain.

Le travail sur le terrain consiste en un relevé des cotes amont et aval d’après les laisses de crue, d’une section transversale amont pour déterminer la vitesse d’approche, et des formes exactes de l’ouvrage de contrôle afin d’obtenir un coefficient de débit convenable. Des coefficients sont fournis pour: a) Les déversoirs en paroi mince, dénoyés ou

noyés; b) Les déversoirs à seuil épais, non noyés; c) Les déversoirs en doucine ou à seuil profilé,

noyés ou non;


d) De nombreux ouvrages de forme irrégulière.

5.3.6 Jaugeageenconditionsdifficiles

On trouvera un exposé général à propos des jaugeages en conditions difficiles dans Level and Discharge Measurements under Difficult Conditions (WMO-No. 650).

5.3.6.1 litsinstables

L’instabilité d’un chenal se caractérise par des déplacements systématiques du lit, par la forte teneur en sédiments et par la présence de débris de toute sorte dans le courant. L’instabilité d’un chenal est une entrave au bon fonctionnement d’une structure de jaugeage et/ou d’une section de mesure permanente. Ce problème peut être amoindri en choisissant un emplacement au milieu d’un tron-çon droit et régulier du cours d’eau, l’écart d’obstacles divers (ponts, etc.). Les berges les plus stables se trouvent généralement aux endroits où le chenal se rétrécit. Sur les petites rivières, le site devrait permettre l’aménagement d’une section permanente de mesure.

Sur les petits cours d’eau qui ne charrient pas de grosses pierres ni de débris, on peut mesurer le débit à l’aide de canaux jaugeurs portables ou installés de façon permanente. Sur ce type de cours d’eau, il est parfois indiqué de disposer d’une section artificielle pour les mesures, de manière à améliorer la relation hauteur-débit. Cette amélioration peut être réalisée sous la forme d’un seuil bas ou d’un canal jaugeur, selon les conditions spécifiques du site en question. La structure devrait être suffisamment haute pour être à l’abri de remous provenant d’une section en aval, et suffisamment basse pour ne pas causer de perturbations excessives à l’aval. En basses eaux, le dispositif devrait fournir une courbe de tarage présentant une bonne sensibilité. Une passerelle pourra être installée de façon à permettre le nettoyage du seuil des ouvrages, et la réalisation des jaugeages au moulinet. Compte tenu des fortes teneurs en sédiments dans les rivières instables, il est préférable d’utiliser des moulinets possédant une chambre de contact étanche. Les perches de jaugeage devraient être munies d’une plaque de fond afin qu’elles ne s’enfoncent pas dans les sédiments.

Lorsque l’on mesure le débit par la méthode d’exploration du champ des vitesses, on mesure généralement la profondeur avant et après la mesure de vitesse. Lorsque la vitesse du courant est élevée, le moulinet peut subir quelques dommages du fait des débris variés entraînés par le courant.

Dans ce cas, il est préférable de comparer, avant et après le jaugeage, les indications du moulinet à celle d’un autre moulinet non utilisé pour le jaugeage.

Dans les rivières sujettes à des détarages importants, la distribution des vitesses dans une section change au cours du temps. On choisira alors les verticales de mesure en fonction de la répartition des vitesses au moment du jaugeage. L’utilisation de verticales permanentes peut conduire à des erreurs systé- matiques. Si le détarage est important, il est préférable de choisir une des méthodes utilisant un nombre réduit de points pour mesurer la vitesse, avec un nombre réduit de verticales (ISO, 1979b).

Si on a relevé la profondeur du fond deux fois (avant et après les mesures de vitesse) la surface de la section transversale est calculée en prenant la moyenne des deux séries de mesures de profondeur. Pour les cours d’eau de grande largeur, où la position des verticales est déterminée en général à l’aide de jalons sur les berges, les verticales obtenues lors de chacune des mesures peuvent ne pas coïncider. Dans ce cas, un profil moyen du site de jaugeage est utilisé pour choisir les valeurs de profondeur intervenant dans le calcul du débit.

5.3.6.2 coursd’eaudemontagne

Les cours d’eau de montagne sont caractérisés par une forte vitesse du courant, un lit peu profond et irrégulier encombré de blocs de pierres et de débris, une pente irrégulière et transversale de la surface de l’eau, et un charriage important mais irrégulier de pierres et de galets. Autant que possible, il faut éviter les emplacements ayant de telles caractéris-tiques pour le jaugeage comme pour les prises de mesure.

Sur les petits cours d’eau de montagne, compte tenu de la turbulence de l’écoulement, il est très souhaitable d’utiliser les méthodes de jaugeage par dilution (section 5.3.4).

Des améliorations du chenal peuvent être envisa-gées pour permettre d’effectuer de meilleures mesures. Il peut être souhaitable aussi d’équiper le site d’une passerelle de jaugeage (section 5.3.2). S’il est possible de construire un bief acceptable pour la réalisation de jaugeages au moulinet, ceux ci devraient s’appuyer sur au moins 20 verticales. On ne commet pratiquement guère d’erreurs systéma-tiques en mesurant la profondeur avec une perche à gué dans ces cours d’eau. Cependant, l’utilisation d’un saumon avec gouvernail peut faire sous- estimer la profondeur, si cette dernière est faible.


Pour des profondeurs de l’ordre d’un mètre, l’écart avec les mesures à la perche à gué peut atteindre 2,5 à 3 %, tandis que pour des profondeurs de 0,4 à 0,8 m, il peut atteindre jusqu’à 10 ou 15 %.

Lorsque l’on utilise un moulinet, il vaut mieux employer la méthode à deux points. Le débit se calcule de la façon habituelle comme indiqué dans la section 5.3.2.4.

5.3.6.3 Mesuresenrégimenonpermanent

5.3.6.3.1 Jaugeagespendantlescruesetsurlesgrandesrivières

C’est à partir des ponts, des transporteurs aériens à câbles ou des bateaux que les jaugeages des fleuves en crue se font le mieux. Il existe de nombreux modèles de treuils électriques portables que l’on peut fixer sur des camions spéciaux, automobiles ou tracteurs. Sur les grandes rivières, lorsqu’il n’y a pas de pont, on utilise des bateaux, de grands canots ou des bacs. On peut utiliser un matériel optique ou télémétrique à bord et sur la rive pour déterminer la position de l’embarcation dans le chenal. Les bacs 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 (jusqu’à 200 kg), car les vitesses de ces grands cours d’eau peuvent atteindre 6 à 8 m s–1. Le profil de la profondeur de la section de jaugeage peut aussi être relevé à l’échosondeur.

Des systèmes traversants, commandés à distance ou manipulés à partir de la rive, conviennent parfaitement pour la mesure des crues sur les petits cours d’eau. Ces systèmes peuvent être portables et être utilisés en différents endroits à condition que ces sites soient équipés d’un câble porteur prin-cipal d’un côté à l’autre de la rivière. Si l’on ne dispose pas de tels systèmes, on peut utiliser des bateaux en duraluminium ou des radeaux pneu-matiques gonflables facilement transportables, avec moteurs hors-bord et plate-forme équipée. Les endroits difficiles d’accès peuvent être atteints par hélicoptère.

Pour des vitesses très élevées on peut utiliser des flotteurs ou un stroboscope pour mesurer les vitesses de surface Le stroboscope est muni d’un télescope qui est dirigé vers la surface de l’eau, et d’un certain nombre de miroirs tournants. On règle la vitesse de rotation de ces miroirs de façon que la surface de l’eau paraisse immobile. La vitesse de rotation des miroirs permet de calculer la vitesse du courant. La

vitesse maximale mesurable par cette méthode est de 15 m s–1, mais ce maximum dépend de la hauteur du point d’observation au-dessus de la surface de l’eau. Les mesures stroboscopiques peuvent se faire même avec des eaux très chargées en matières en suspension, charriant des glaces et autres corps flottants, qui interdisent l’usage du moulinet. Le coefficient de conversion de la vitesse de surface en vitesse moyenne sur une verticale, déterminée par des mesures semblables dans des conditions moins difficiles, est généralement de 0,85-0,90. Pour mesurer la profondeur, on utilise souvent un échosondeur ou la section transversale habituelle.

Pour les fleuves de grande largeur (3 à 20 km) composés de plusieurs chenaux, la prise de mesure au moulinet devient extrêmement difficile. Dans ce cas, la méthode du bateau mobile (section 5.3.7.2) ou la mesure du débit par des appareils Doppler acoustiques (section 5.3.7.5) peuvent être utilisées.

Ces méthodes conviennent par ailleurs particulière-ment bien lorsqu’il y a de brèves interruptions dans la dérive de la glace ou en présence de matériaux détritiques. S’il y a des glaces ou des corps flottants sur une partie de la section de jaugeage, les mesures y seront faites au flotteur, le moulinet étant employé durant les périodes d’interruption dans le charriage de débris. La photographie aérienne alliée aux flotteurs peut aussi être employée pour la prise de mesure sur des rivières larges.

5.3.6.3.2 Jaugeagesdanslesbiefsàmarée

Lorsque la marée remonte jusqu’à une section de jaugeage, on doit tenir compte des phénomènes suivants: a) Le niveau de l’eau varie continuellement, avec

ou sans modification de la direction du courant; b) La vitesse varie continuellement, même avec

une profondeur stable sur la verticale, avec un gradient de vitesse très élevé;

c) La distribution des vitesses dans le temps est variable;

d) Le courant change de sens au cours du cycle de la marée avec annulation de la vitesse;

e) Stratification de la masse d’eau avec des densités et des directions de courant variables;

f) La largeur et la section transversale se modi-fient considérablement;

g) Apparition d’une turbulence à grande échelle (c’est-à-dire des fluctuations de vitesse ayant une période supérieure à 30 secondes, et variation d’amplitude de la vitesse allant jusqu’à 50 %) avec des seiches.


On emploie généralement une des méthodes suivantes pour jauger les rivières à marée (ISO, 1974): méthode d’exploration du champ des vitesses, méthode volumétrique ou résolution de l’équation d’écoulement non permanent. On peut aussi utiliser la méthode du bateau mobile (section 5.3.7.2) ou la méthode du Doppler acoustique (section 5.3.7.5) en particulier lorsque la courbe de distribution des vitesses est voisine de sa forme habituelle. D’autres méthodes, comme la méthode par ultrasons (section 5.3.7.3) peuvent aussi convenir.

Dans la méthode de calcul du débit par exploration du champ des vitesses, on mesure la vitesse durant tout le cycle de la marée. Généralement, on utilise plusieurs points de mesure de façon à tenir compte des différentes directions du courant. Simulta- nément, on mesure de façon continue la cote ainsi que la profondeur à chaque verticale. Ensuite, toutes les mesures sont ramenées à un même moment pour lequel on calcule le débit.

L’exactitude de cette méthode est plus grande si: a) Le cycle de marée pendant la mesure est

périodique ou quasi périodique; b) Les lignes de courant, en particulier au moment

du débit maximal, sont parallèles entre elles et perpendiculaires en tous points à la section de mesure;

c) Les courbes de répartition des vitesses, hori- zontalement et verticalement, ont la forme régulière rencontrée au site de jaugeage;

d) Le profil en travers de la section de jaugeage est uniforme et sans hauts-fonds.

Autant que faire se peut, le site choisi devrait donc avoir les caractéristiques suivantes:a) La section en travers du lit devrait être droite et

de forme régulière; b) La profondeur de l’eau devrait être suffisante

pour que l’on puisse utiliser efficacement un moulinet;

c) Le chenal devrait rester stable durant le cycle de la marée;

d) Le débit devrait être concentré dans un ou plusieurs chenaux dont on peut déterminer la section en travers avec un bon degré d’exactitude;

e) Le site ne devrait pas être à proximité d’obstacles naturels ou artificiels perturbant l’écoulement;

f) Le site de jaugeage ne devrait pas être encombré de végétation;

g) Il faudrait éviter les courants obliques ou contraires et les zones d’eaux mortes.

Le site devrait être signalé par des repères de façon très visible sur les deux rives.

Afin de déterminer le débit pendant le flux et le reflux, on mesure la vitesse à chaque verticale pendant la durée entière du cycle de la marée. Afin de connaître avec précision le moment où la vitesse s’annule, on commence les mesures une demi-heure avant le début et on les arrête une demi-heure après la fin de la marée. Selon le matériel disponible et les caractéristiques du site choisi, différentes méthodes sont utilisables pour les mesures de la vitesse: a) Si l’on dispose d’un nombre de bateaux suffi-

sant, les mesures se font simultanément sur toutes les verticales pendant toute la durée de la marée;

b) Si le nombre de bateaux est limité, on repère les verticales choisies par des bouées ancrées. Un ou deux bateaux sont nécessaires pour effectuer les mesures, en se déplaçant d’une verticale à la suivante, l’intervalle de temps entre deux verticales ne devant pas dépasser une heure. Il faut au moins un bateau supplémentaire qui stationne en permanence à une verticale de référence, exécutant des mesures continues pendant tout le cycle de la marée. Dans ce cas, la courbe des variations de vitesse à chaque verticale pendant tout le cycle est tracée sur la base des mesures faites sur la verticale de référence, à titre de comparaison;

c) Si la forme de la courbe de la marée ne change pas beaucoup d’un jour à l’autre et si deux bateaux au moins sont disponibles, l’un des bateaux stationne à la verticale de référence et poursuit ses mesures chaque jour pendant toute la marée tandis que l’autre exécute des mesures pendant toute la marée à chaque verticale, se déplaçant chaque jour vers une nouvelle verti-cale. Dans ce cas, le nombre de jours de mesure nécessaires à l’observation du cycle entier est égal au nombre de verticales de mesure;

d) Si l’amplitude de la marée varie et si on ne peut faire de mesures sur de nombreuses verticales, les mesures sont faites sur chaque verticale pour le cycle entier de marées de différentes ampli-tudes pendant un mois lunaire, et aux marées de vive eau et morte eau;

e) S’il y a de fortes oscillations, les mesures se feront sur chaque verticale avec plusieurs moulinets à différentes profondeurs, sur des périodes de dix à quinze minutes. La vitesse moyenne est calculée sur la moyenne de la période;

f) Dans le cas de courants obliques, on utilisera soit des moulinets à lecture directe, soit des instruments pouvant mesurer la direction du courant.

Lorsque la vitesse varie rapidement, les valeurs des vitesses mesurées à différents points de mesure


d’une verticale doivent être ajustées à un temps donné. Pour cela, on peut soit répéter les mesures à chaque point de la verticale, du fond vers la surface, soit à un point unique en surface seulement.

Pour calculer le débit sur chaque verticale, on trace la courbe des variations de la vitesse en fonction du temps, sur laquelle on relève la vitesse au temps choisi.

Pour le calcul du débit par la méthode volumé-trique, des mesures du niveau de l’eau synchronisées sont faites aux limites du ou des secteurs de mesure après que leurs caractéristiques géométriques (section transversale, longueur, surface inondée) ont été déterminées. En outre, on installe en amont de la zone d’influence de la marée une station de jaugeage supplémentaire de manière à connaître le débit propre de la rivière. Lorsqu’il y a des pentes transversales dans de larges estuaires, on mesure les niveaux sur les deux rives. La variation de volume des prismes de marée, dans l’intervalle de temps pris en considération, est calculée à partir des varia-tions des profondeurs moyennes et de la surface des zones inondées à l’intérieur des limites du secteur. Pour déterminer le débit moyen, on divise la varia-tion de volume du prisme complet par le temps pris en compte, et on retranche du résultat les apports au cours d’eau.

Dans la méthode de calcul du débit à partir des équations en régime non permanent, la résolution de ces équations peut être simplifiée par certaines hypothèses, comme le parallélisme des lignes de courant et l’uniformité de la densité, et le fait que le chenal est prismatique. Habituellement les mesures sont effectuées pour deux cycles typiques (haut et bas) de marée. Les mesures sont utilisées pour caler les paramètres des équations.

5.3.6.4 proliférationdevégétationdanslescoursd’eau

La prolifération de la végétation aquatique est une source relativement importante d’erreur. Dans les petites rivières, il est conseillé, si cela est faisable, de construire des sections de contrôle artificielles. Si ce n’est pas possible, le débit devrait être mesuré par la méthode d’exploration du champ des vitesses. Pour cela, un bief de la rivière de 6 à 10 m de long devrait être débarrassé de sa végétation pendant toute la période de pousse. En outre, les berges devraient être débarrassées des buissons et des hautes herbes sur un tronçon un peu plus long.

Les substances toxiques empêchant la croissance de la végétation ne sont efficaces que quelque temps.

Par conséquent, un nettoyage fréquent du lit sera la meilleure solution. On peut couper la végétation du lit avec un dispositif spécial mû par une scie à chaîne mécanique, ou avec une faux ordinaire.

La vitesse du courant devrait être mesurée sur chaque verticale en trois points aux quinze, cinquante et quatre-vingt-cinq centièmes de la profondeur. Pour une profondeur inférieure à 0,40 m, on utilisera la méthode du point unique.

Dans le compte rendu de jaugeage, on devrait décrire brièvement l’état présent de la végétation.

Comme les algues et les herbes peuvent s’entortiller autour de l’hélice du moulinet, on devrait l’inspec-ter et le nettoyer fréquemment pendant les mesures. Lorsque les mesures sont faites en un seul point, on doit contrôler avec soin la régularité avec laquelle les signaux sont reçus. On a maintenant acquis une certaine expérience de l’utilisation de la méthode électromagnétique pour les jaugeages soumis à de telles conditions (section 5.3.7.4).

5.3.7 Méthodesnontraditionnellespourlejaugeagederivières


Les calculs du débit par la méthode d’exploration du champ des vitesses et par la méthode de dilu-tion, ou grâce à des structures hydrauliques (section 5.4) présentent certaines limites et ne peuvent être effectués en toutes circonstances. Il existe quatre méthodes relativement nouvelles pour la mesure du débit des cours d’eau, à savoir: celle du bateau mobile, la méthode dite ultrasonique, la méthode électromagnétique et celle du Doppler acoustique.

5.3.7.2 Méthodedubateaumobile[SHOFM E79]

Dans cette méthode, on équipe un bateau d’un ensemble de mesure courantométrique spéciale-ment conçu pour indiquer la valeur instantanée de la vitesse. On fait le jaugeage en traversant le cours d’eau le long d’un itinéraire préétabli, perpendicu-laire au courant. Pendant la traversée, accomplie d’une traite, on enregistre le profil en travers à l’aide d’un échosondeur, tandis que le moulinet mesure en permanence les vitesses combinées du bateau et du courant. Ces données, récoltées au niveau de 30 à 40 points d’observation (verticales) le long du trajet, sont converties en débit. La vitesse enregis-trée à chaque point d’observation de la section transversale est une quantité vectorielle représen-tant la vitesse relative du courant qui passe par le


dispositif de mesure. Cet ensemble de mesure comporte un gouvernail fixé à un arbre en acier inoxydable muni, à son extrémité supérieure, d’un cadran et d’un index qui permettent de mesurer l’angle entre la direction du gouvernail et celle du véritable déplacement du bateau. Ceci se fait en s’alignant soigneusement sur des balises placées sur les berges. En général, on effectue six traversées en sens alternés, et on prend la moyenne des mesures comme débit (ISO,1979a; Smoot et Novak, 1969).

Le calcul du débit est effectué de façon analogue à celui de la méthode habituelle par exploration du champ des vitesses, en additionnant les produits des surfaces des secteurs par les vitesses moyennes. Il faut utiliser un coefficient pour corriger la vitesse mesurée, car le moulinet se trouve environ à un mètre en dessous de la surface de l’eau. Ce coeffi-cient est généralement uniforme pour toute la section dans le cas de rivières importantes. Des recherches réalisées sur différents cours d’eau ont montré que le plus souvent ce coefficient varie de 0,85 à 0,95. La méthode du bateau mobile fournit une mesure ponctuelle du débit, et on peut en attendre une exactitude de plus ou moins 5 % au seuil de confiance de 95 %.

5.3.7.3 Méthodeultrasonique(acoustique)[SHOFM C73]

Le principe de cette méthode est de mesurer la vitesse du courant à une certaine profondeur en envoyant simultanément des ondes sonores à travers l’eau à l’aide de transducteurs situés de chaque côté du cours d’eau. Les transducteurs sont conçus pour émettre et pour recevoir les impulsions sonores et sont disposés sur les rives opposées de façon à ce que le trajet des ondes fasse un angle compris entre 30° et 60° avec la direction du courant. La différence des temps de parcours des ondes remontant le courant et de celles descendant le courant est directement fonction de la vitesse moyenne de l’eau à la profondeur des transduc-teurs. Cette vitesse peut être corrélée avec la vitesse moyenne dans l’ensemble de la section transverse. En incorporant un facteur de surface dans le système électronique, on peut obtenir le débit comme signal de sortie.

Idéalement, les transducteurs sont positionnés à une profondeur telle qu’ils mesurent la vitesse moyenne du courant. En pratique, ils sont fixés définitivement, si bien que, lors d’un changement de niveau, ils ne seront probablement plus à la profondeur de la vitesse moyenne et il faudra corriger la vitesse mesurée à l’aide d’un coefficient d’ajustement.

Deux types de dispositifs de mesure par ultrasons sont d’usage courant. Dans le premier, les transduc-teurs ont une position fixe et la station est étalonnée au moulinet; dans le second, les transducteurs coulissent sur un support vertical ou incliné. Dans ce dernier cas, le système peut s’étalonner lui-même et les mesures au moulinet ne sont donc pas néces-saires. En déplaçant les transducteurs verticalement à différentes profondeurs (7 à 10 en moyenne), on obtient les vitesses le long des différents trajets. À partir de chaque série de mesures on établit des courbes de répartition verticale de vitesses pour une gamme de hauteurs d’eau aussi étendue que possible. Il est alors possible d’abord de déterminer une profondeur convenable pour fixer les transduc-teurs, ensuite de tracer une courbe du niveau en fonction du coefficient de débit, comme dans la première méthode.

Dans les rivières avec faible gamme de hauteurs, un système de transducteur à trajet unique peut s’avé-rer acceptable. Pour les rivières sujettes à de grandes variations de niveau, il peut devenir nécessaire d’installer un système à trajets multiples compor-tant plusieurs paires de transducteurs.

L’exactitude de la méthode ultrasonique dépend de la précision avec laquelle les temps de trajet peuvent être mesurés. Les différentes techniques disponibles aujourd’hui sont susceptibles de mesurer le temps avec une très grande précision (Smoot et Novak, 1969, Herschy et Loosemore, 1974; Smith, 1969; 1971; 1974; Botma et Klein, 1974; Kinosita, 1970; Holmes et al., 1970; Halliday et al. 1975; Lenormand, 1974).

5.3.7.4 Méthodeélectromagnétique

Le mouvement de l’eau s’écoulant dans une rivière coupe la composante verticale du champ magné-tique terrestre, une force électromotrice (fem) est induite dans l’eau que l’on peut mesurer à l’aide de deux électrodes. Cette force électromotrice, qui est directement proportionnelle à la vitesse moyenne de la rivière, est induite le long de chaque filet d’eau au moment où il coupe les lignes de force du champ magnétique terrestre vertical.

On voit, sur la figure I.5.3, le schéma d’une station de jaugeage électromagnétique où la bobine est placée dans le lit et où le champ magnétique est dirigé selon l’axe x, la force électromotrice selon l’axe y et le mouvement de l’eau selon l’axe z. La loi d’induction électromagnétique de Faraday relie la longueur d’un conducteur se déplaçant dans un champ magnétique à la force électromotrice induite par l’équation (Herschy et Newman, 1974).


En pratique, la plupart des lits de cours d’eau ont une conductivité non négligeable qui permet le passage d’un courant électrique dans le lit. Pour des raisons pratiques, le champ induit sera spatialement limité et les courants électriques se propageant dans la zone extérieure au champ auront pour effet de réduire le potentiel de sortie. Ces deux facteurs ont pour effet de réduire le signal, et donc le voltage enregistré. En une station électromagnétique, il est par conséquent nécessaire de mesurer à la fois la conductivité du lit et celle de l’eau.

Le type de courant d’alimentation de la bobine convenant le mieux est un courant continu dont la direction est inversée un petit nombre de fois par seconde pour obtenir une onde carrée alternative d’environ 1 Hz de fréquence. Une installation type comprendra une bobine de 12 spires faites d’un câble double de 16 mm2, isolé avec du PVC, et alimenté avec un courant de 25 ampères, sous une tension de 20 volts environ (Herschy et Newman, 1974).

La méthode électromagnétique conviendra bien pour les cours d’eau encombrés de végétation, fortement chargés de sédiments ou avec un lit mobile. Elle donne un enregistrement continu de la vitesse moyenne dans la section qui, combinée avec la cote, peut fournir le débit in situ.

L’exactitude dépend du système électronique du matériel de traitement du signal qui détecte et mesure les faibles différences de potentiel recueillies par les électrodes. On peut détecter un signal de 100 nanovolts, ce qui représente approximati-vement une vitesse de 1 mm s–1. Il est nécessaire d’étalonner in situ les stations de jaugeage électro-magnétique à l’aide de mesures au moulinet ou par

d’autres moyens, et d’établir une relation entre le débit et le signal de sortie.

5.3.7.5 Mesuredudébitavecdesinstrumentsdoppleracoustiques

5.3.7.5.1 Généralités

Les développements de la technologie Doppler acoustique ont fait de ces instruments une véritable alternative pour la mesure des débits des rivières et cours d’eau importants. Au cours des dernières années, les instruments et les techniques ont nota-blement évolués, et il est devenu possible d’utiliser les instruments Doppler acoustiques dans des petites rivières peu profondes. Tous les instruments utilisent le principe de Doppler pour mesurer la vitesse de particules en suspension dans l’eau afin de calculer le débit. Un instrument Doppler acoustique contient des transducteurs et des capteurs de température conçus pour être utilisés dans l’eau. Aucun des com-posants ne demande un réétalonnage périodique, à moins qu’il n’ait été endommagé.

5.3.7.5.2 PrincipedeDoppler

Un instrument Doppler acoustique (figure I.5.4) mesure la vitesse de l’eau en utilisant un principe physique nommé effet Doppler. Ceci stipule que si la source d’un son se déplace par rapport au récep-teur, la fréquence du son reçu au récepteur sera différente de a fréquence de transmission du son émis. L’instrument émet une impulsion d’énergie sous forme sonore dans l’eau, à la manière d’un sonar sous-marin mais à bien plus haute fréquence. Cette énergie est réfléchie par les particules en suspension dans l’eau et s’y déplaçant, et une partie

Sonde conductrice de fond

Sondes de corrélationdu bruit

Conduite des câbles de signaux

Sondes de conductivitéde fond

Cabane abritant l’instrumentation

Bobine créant le champ magnétiqueSondes d’annulation

du bruit

Sondes du signal

Écoulementde l’eau

Z

Y X

figureI.5.3.systèmedebasedelaméthodeélectromagnétique


de celle-ci retourne vers l’instrument. L’instrument mesure le décalage (modification de fréquence) et l’utilise pour calculer la vitesse de l’eau relativement à l’instrument. Le décalage de fréquence de l’impul-sion réfléchie (Doppler) est proportionnel à la vitesse des éléments réfléchissants se déplaçant à l’intérieur du faisceau acoustique:

V =Fd

2 F0

⎛⎝

⎞⎠

C (5.13)

où Fd est la fréquence Doppler décalée reçue par le transducteur, F0 la fréquence émise par le transduc-teur, C la vitesse du son et V est la vitesse des éléments réfléchissants (et celle de l’eau).

Tous les instruments Doppler utilisent une fréquence préétablie. Cette fréquence détermine les conditions sous lesquelles ils seront le mieux à même de fonctionner. Un instrument utilisant une fréquence relativement basse a un plus grand rayon d’action qu’un instrument utilisant une fréquence relativement haute. Les quantités et la nature des particules en suspension influencent également le rayon d’action de l’appareil et la qualité de ses mesures. S’il y a trop peu de parti-cules dans l’eau, le rayon d’action sera notablement plus court et la qualité des données peut s’en trouver compromise.

Ces principes valent pour tous les instruments Doppler acoustiques, mais les différents instru-ments calculent le débit de différentes façons.

5.3.7.5.3 ProfileursdecourantàeffetDoppleracoustique

L’utilisation de profileurs de courant à effet Doppler acoustique (PCDA) est devenue une

méthode courante de mesure du débit des rivières. Il existe aujourd’hui de nombreux instruments sur le marché conçus pour fonctionner sur des rivières plus ou moins importantes. Ils ont plusieurs caractéristiques communes.

Les instruments PCDA peuvent être installés sur une embarcation, telle qu’un canot pneumatique (figure I.5.5). L’instrument mesure simultanément la vitesse de l’eau, la profondeur et la trajectoire de l’embarcation pour calculer le débit. De cette façon on calcule le débit alors que l’embarcation traverse la rivière. Le mesurage du débit total (ΣQ1) est réalisé en quelques minutes. Le résultat d’une seule mesure n’est pas suffisant pour fournir une valeur précise du débit; il donne seulement un instantané de l’écoulement. Pour obtenir une valeur précise du débit de la rivière, il importe de prendre la moyenne de plusieurs transversales. On recommande de prendre au moins quatre transversales pour calculer le débit d’une station. L’estimation du débit réel de la rivière sera alors la moyenne des N valeurs indivi-duelles relatives à chaque transversale.

(5.14)

Il est nécessaire que l’instrument communique avec un ordinateur pour calculer le débit. Comme un instrument PCDA traite le signal réfléchi par les particules transportées par l’eau, il divise la colonne d’eau en une série de segments distincts et superposés sur la verticale. On appelle ses segments des cellules de profondeur. Un instru-ment PCDA détermine la vitesse et la direction dans chaque cellule de profondeur. Parallèlement le signal en provenance du fond, appelé trace de fond, mesure la vitesse et la direction du bateau. Cela signifie qu’il n’est pas nécessaire que le bateau effectue une traversée perpendiculaire au courant.

Les procédures pour la collecte données de valeur se normalisent de par le monde. Le nombre de tran-sects dépend de la différence observée entre les mesures de débit. Si le débit pour quatre transects diffère de plus de 5 %, au minimum quatre transects supplémentaires devraient être réalisés, et on pren-dra comme débit la moyenne de l’ensemble des huit transects. Parfois on réalise même davantage de tran-sects afin de limiter de possibles biais directionnels. L’utilisateur doit configurer les instruments avant de commencer les mesures. Le choix entre différents modes de configuration se fonde sur les caracté- ristiques du site (profondeur de l’eau, vitesse de l’eau, etc.) au moment de la mesure. Il est important d’utiliser le mode adéquat pour une meilleure préci-sion des mesures de débit. L’utilisateur doit régler

figureI.5.4.transducteurd’uninstrumentdoppleracoustiquemontésurunbateau

Q∑ =

Q1 + Q2 +∑ Q3 +∑ Q4 +∑∑ ...( )N


eaux s’écoulant lentement. Ces appareils peuvent se contenter de volumes d’eau d’échantillonnage plus modestes que les courantomètres traditionnels.

Le Flowtracker est un de ces CDA, actuellement le seul sur le marché pouvant être tenu à la main. Cet instru-ment est une alternative aux instruments mécaniques pour effectuer des jaugeages à la perche. Le Flowtracker est constitué d’une sonde assujettie à une perche de jaugeage par une interface. L’interface permet l’entrée des paramètres de base requis pour réaliser une mesure de débit: station, distance, profondeur et positionne-ment vertical des mesures (six dixièmes, ou deux et huit dixièmes de la profondeur). En utilisant la méthode d’exploration du champ des vitesses, il calcule le débit en multipliant la surface de la section par la vitesse moyenne dans le chenal.

Les véritables données de vitesse en deux ou trois dimensions (2D ou 3D) sont exprimées dans des coordonnées cartésiennes (XYZ) relatives à l’orien-tation de la sonde. Seule la composante selon X de la vitesse (Vx) est utilisée pour les mesures de débit des rivières. La sonde doit être orientée perpendiculaire-ment à la section de mesure afin d’assurer un calcul correct du débit. L’opérateur n’a pas à estimer l’angle du courant comme il le doit pour les courantomètres à une dimension (1D).

5.3.7.5.5 Mesuresdudébitàpartird’uneplateformefixe

Outre son utilisation pour le mesurage des débits à partir d’une embarcation, un instrument Doppler

une profondeur du PCDA correcte, la distance aux berges et s’assurer que le tangage, le roulis et la vitesse de l’instrument embarqué restent dans des limites acceptables pendant les mesures. Un biais de n’im-porte lequel de ces éléments peut entraîner un biais significatif des valeurs mesurées des débits.

Une autre sorte de profileur Doppler acoustique réalise les mesures de débit sans utiliser une trace de fond. À la place, il mesure en utilisant des sections ou «verticales». Selon les caractéristiques de la rivière, l’instrument explore de 10 à 20 verticales, chacune étant mesurée pendant 30 à 60 secondes, afin de réaliser une mesure de débit. De tels instru-ments mesurent la totalité du profil vertical de vitesse et peuvent facilement être suspendus à un pont ou à un câble tendu à travers la rivière.

Les faisceaux sont tous orientés dans un espace bidimensionnel (2D) permettant la mesure à proxi-mité des berges de la rivière (chenal). L’utilisateur doit régler la distance à la berge, et le logiciel calcule l’aire de la section transversale. Comme il n’y a pas de traçage du fond, l’instrument doit être orienté dans la direction de l’écoulement et se déplacer à travers la rivière selon des segments/verticales prédéfinis. Ne pas respecter ces contraintes conduit à des mesures de débit imprécises.

5.3.7.5.4 CélérimètreDoppleracoustique

Un célérimètre Doppler acoustique (CDA) est un courantomètre ponctuel conçu spécialement pour effectuer des mesures de faible puissance dans les

DÉPART

ARRIVÉE

VECTEURS DEVITESSE DEL’ÉCOULEMENT

Itinéraire du bateau

Trace au fond de l’itinéraire du bateau

figureI.5.5.dispositionhabituelled’unemesuredoppleracoustique(Source: United States Geological Survey, http://www.usgs.gov)

Le système utilise un PCDA large bande 1 200 kHz à quatre faisceaux


acoustique peut être utilisé sur des plateformes fixes pour calculer le débit des rivières. L’instrument est habituellement monté sur une structure immergée, faisant face perpendiculairement à l’écoulement, et mesure la vitesse de l’eau en différents points d’un plan. On appelle souvent ces instruments céléri-mètres Doppler acoustiques, CMDA (Acoustic Doppler Velocity Meters, ADVM), (Gotvald, 2005).

La vitesse de l’eau mesurée par le CMDA est utilisée pour calculer la vitesse moyenne dans le chenal de la rivière. C’est ce qu’on appelle l’indice de vitesse de la rivière. En utilisant l’indice de vitesse, le débit peut être calculé de différentes façons. C’est ce qu’on appelle la méthode de l’indice de vitesse. Un CMDA permet de mesurer le débit d’une rivière dont la courbe de tarage est médiocre ou inexistante. La méthode de l’indice de vitesse consiste fondamenta-lement à calculer le débit à partir de l’équation Q = VA, où Q est le débit total, V la vitesse moyenne et A l’aire de la section du chenal. L’utilisation de CMDA sur des plateformes fixes afin de fournir des mesures de l’indice de vitesse pour le débit des rivières a récemment progressé.

5.4 STATIONSDEJAUGEAGE

5.4.1 Objetdesstationsdejaugeage

Les stations de jaugeage ont pour objet de fournir des relevés systématiques de hauteurs d’eau et de débit. Il est nécessaire de disposer de relevés continus des écoulements pour concevoir les systèmes d’alimentation en eau et d’assainissement, pour la conception des ouvrages hydrauliques, et pour esti-mer la charge chimique ou en sédiments des cours d’eau, y compris en polluants.

Comme on ne peut en général pas enregistrer les débits en continu, à moins d’utiliser une des nouvelles méthodes exposées aux sections 5.3.7.3 et 5.3.7.4, les débits sont établis à l’aide de la rela-tion entre hauteur et débit, telle qu’elle est définie par des jaugeages périodiques et un enregistrement permanent de la cote, ou bien à l’aide d’un dispo-sitif de mesure étalonné en laboratoire ou sur le terrain.

5.4.2 Choixdusite

Le choix des cours d’eau à jauger devrait être régi par les principes d’organisation du réseau (section 2.4) et par l’usage que l’on prévoit de faire des résultats. Le choix d’un site de station de jaugeage sur un

cours d’eau donné devrait être guidé par les critères suivants définissant un site idéal:a) Le lit est rectiligne sur environ 100 m, en amont

et en aval du site de mesure;b) La totalité de l’écoulement est concentrée

dans un seul chenal quel que soit le niveau d’eau, sans aucune dérivation souterraine de l’écoulement;

c) Le lit du cours d’eau ne risque ni affouillement ni comblement, et est libre de végétation aquatique;

d) Les berges sont stables, suffisamment hautes pour contenir les crues et libres de broussailles;

e) Il existe des contrôles naturels invariables de l’écoulement, tels qu’affleurements rocheux ou haut-fond pendant les étiages, contraction du lit pour les hautes eaux, chutes ou cascades qui ne sont noyées à aucune hauteur d’eau, de telle sorte que la relation hauteur-débit soit stable. S’il n’y a aucun contrôle naturel satisfaisant en basses eaux, il faudrait envisager l’installation d’un contrôle artificiel;

f) Il existe un emplacement, juste en amont de la section de contrôle, pour abriter le limnigraphe où le risque de détérioration par des glaces à la dérive ou objets flottants pendant les épisodes de crues est minimal. L’emplacement du limni-graphe devrait être au-dessus du niveau des plus hautes crues éventuelles pendant la durée de service de la station;

g) La station de jaugeage est située suffisamment en amont d’un confluent ou d’une zone soumise à la marée pour qu’aucun effet de variation dû à l’un ou l’autre ne perturbe la relation hauteur-débit;

h) Il existe un tronçon de rivière à distance raison-nable du site permettant de mesurer le débit de façon satisfaisante quel que soit le niveau, mais il n’est pas nécessaire que les hautes et les basses eaux soient mesurées dans la même section du cours d’eau;

i) Le site est facilement accessible pour faciliter l’installation et l’exploitation de la station;

j) On dispose, si nécessaire d’installations de télétransmission ou d’un relais satellite;

k) La formation de glace éventuelle ne doit pas interrompre l’enregistrement des cotes et les mesures de débit;

l) Il ne doit pas y avoir de vagues ou de clapotis à la surface de l’eau à proximité de la station de jaugeage.

On trouvera rarement un site idéal remplissant l’ensemble de ces critères; il faudra donc choisir entre les sites possibles celui qui convient le mieux.


5.4.3 Contrôlesdelarelationhauteur-débit

On appelle contrôle la ou les caractéristiques physiques qui conditionnent les relations entre hauteur d’eau et débit. Dans la principale classifica-tion des contrôles, on fait la différence entre le contrôle de la section et du chenal. Une autre distinction est faite entre les contrôles naturels et artificiels.

Lorsque la topographie d’une seule section trans-versale est telle qu’elle rétrécit le chenal ou lorsqu’une rupture de pente existe à cet endroit, c’est une section de contrôle. Le rétrécissement de la section peut avoir pour cause une surélévation du lit du chenal, telles qu’en présence de rapides ou d’affleurements rocheux naturels, ou bien de déver-soirs ou barrages artificiels; il peut aussi être causé par un rétrécissement latéral naturel ou artificiel de la section, tel qu’un pont dont l’ouverture est bien plus étroite que le chenal naturel.

Il y a chenal de contrôle lorsque la topographie et la rugosité d’une grande longueur du chenal en aval de la station de mesure déterminent la relation hauteur-débit. La longueur du chenal nécessaire pour qu’il y ait contrôle augmente avec le débit. De façon générale, plus la pente de la ligne d’eau est faible, plus la longueur du chenal de contrôle nécessaire est grande.

Souvent on construit un barrage bas, un déversoir ou un canal jaugeur pour établir un contrôle artifi-ciel. De tels contrôles sont généralement noyés sous les gros débits, mais fournissent une relation hauteur-débit fiable pour les débits faibles à moyens.

Les deux qualités d’un bon contrôle sont: la stabi-lité qui garantit celle de la relation hauteur-débit, et la sensibilité qui assure une variation appréciable de la cote pour une faible variation du débit.

5.4.4 Installationsdemesure

On peut utiliser, à certaines stations hydromé-triques, des contrôles artificiels construits de telle sorte que la relation hauteur-débit soit établie sans qu’il soit nécessaire d’effectuer des jaugeages, en utilisant des formules de débit. Il existe certains déversoirs et canaux jaugeurs pour lesquels le rapport entre charge et débit est bien connu. Cependant, c’est seulement dans des conditions naturelles favorables que l’on pourra utiliser avec exactitude les formules de certains types de déver-soirs ou canaux jaugeurs. Par conséquent, il est important, si le débit est mesuré uniquement par

des lectures de niveau, que la construction des structures afférentes soit faite avec soin, que les conditions d’emploi en soient bonnes et que l’on utilise les formules les plus appropriées (OMM, 1986b; ISO, 1977b, 1980, 1983, 1984, 1989).

En conditions moins favorables, il est nécessaire de procéder à des étalonnages de contrôle in situ pour vérifier l’écart avec la formule standard, ou pour établir directement la courbe de tarage. Il est alors très important de mesurer périodiquement les faibles débits par d’autres moyens pour détecter les modifications du coefficient de débit causés par des dépôts de sédiments dans la fosse, ou bien par des algues sur le déversoir ou dans le canal jaugeur.

Nous sommes limités dans ce Guide aux considéra-tions générales concernant le choix et l’emploi des déversoirs et canaux jaugeurs. Des descriptions techniques plus précises sur leur géométrie et sur les formules de tarage utilisées sont fournies l’utilisa-tion dans Use of weirs and flumes in Stream Gauging (WMO-No. 280).

5.4.4.1 domained’application

Les déversoirs et canaux jaugeurs utilisés aux stations peuvent être répartis en trois catégories:a) Les déversoirs à paroi mince qu’on emploie en

général sur des petits cours d’eau peu chargés en matières solides, ou à l’exutoire de petits bassins de recherche;

b) Les canaux jaugeurs utilisés sur des petits cours d’eau ou canaux qui transportent des sédiments et des débris, ou lorsque la perte de charge d’un déversoir à paroi mince n’est pas admissible;

c) Les déversoirs à seuil épais à profil triangulaire et circulaire, que l’on utilise sur des cours d’eau plus importants.

Déversoirs et canaux jaugeurs peuvent être dénoyés ou noyés. Dans le premier cas, le débit est fonction de la cote en amont et on peut faire un étalonnage exact. Dans le second cas, le débit est fonction à la fois des cotes amont et aval, et l’exactitude de l’étalonnage en laboratoire est moins bonne. À de nombreuses stations déversoirs et canaux jaugeurs ne sont utilisés que pour mesurer les plus faibles débits, et la relation hauteur-débit est établie par des méthodes directes pour les débits plus importants.

5.4.4.2 choixdel’installation

Ce choix dépend du coût, des caractéristiques du cours d’eau à la station, des débits observables, de la précision désirée et de la perte de charge


potentielle. Les critères à prendre en compte sont les suivants:a) En général, c’est le coût qui est le principal

facteur de décision à propos de la construction ou non d’un ouvrage de mesure. Le coût dépend essentiellement de la largeur du cours d’eau et de la nature et de l’état des matériaux consti-tuant le lit et les berges. La largeur conditionne la taille de l’ouvrage, et la nature des matériaux du lit et des rives imposent le type d’ouvrage qui permettra de réduire le plus possible les fuites sous et autour de la construction;

b) Les caractéristiques du chenal et les conditions d’écoulement influencent la conception du dispositif de mesure. Les facteurs déterminant la vitesse ou le nombre de Froude, la charge en sédiments, et la stabilité du lit doivent être pris en compte lors de la conception de l’installation;

c) La gamme des débits, la gamme des hauteurs, la sensibilité souhaitée, et la perte de charge admissible doivent être prises en compte pour la conception et le positionnement de l’ou-vrage. La submersion par les hautes eaux ou les remous influence la forme et la hauteur de l’ou-vrage. La sensibilité, c’est-à-dire, la variation de hauteur correspondant à une variation de débit donnée pour les très basses eaux, permet de décider s’il faut un seuil en V ou un seuil plat;

d) Des déversoirs bon marché, faites par exemple de toile et de plaques de métal légères, peuvent être utilisés sur de petits cours d’eau pour de courtes périodes.

5.4.4.3 Mesuredelahauteurdecharge

La hauteur d’eau se mesure généralement à une distance en amont égale à trois fois la profondeur de l’eau, hmax, à l’emplacement du contrôle, au niveau le plus haut pour lequel il est dimensionné. Sur certains seuils de type particulier et dans tous les canaux jaugeurs, la cote doit être mesurée à une distance normalisée différente de celle définie par la règle générale ci-dessus. Le positionnement de la prise d’eau pour ces cas particuliers est décrit dans Use of Weirs and Flumes in Stream Gauging, (WMO-No. 280). Le zéro de l’échelle limnimétrique devrait être calé au niveau de la crête de l’ouvrage et devrait être vérifié périodiquement.

5.4.4.4 exploitationdesinstallations

Des modifications peuvent intervenir avec le temps aussi bien dans le chenal que dans le dispositif de mesure, et affecter la relation hauteur-débit. Il peut y avoir des dépôts de sable, de cailloux ou de débris dans la zone d’approche ou sur le dispositif

lui-même. Des algues peuvent pousser directement sur le seuil de l’ouvrage en été, et de la glace s’y former en hiver.

Pour assurer une exactitude optimale des mesures, la zone d’approche du seuil devrait être débarrassée des dépôts de limon ou de végétation. On doit nettoyer le dispositif des débris, des algues et de la glace. Tout dégât touchant des parties cruciales de l’installation doit être réparé. Les données de la jauge devraient être vérifiées régulièrement. Il faudrait aussi faire des mesures périodiques de débit afin de déceler de possibles modifications de l’étalonnage d’origine.

5.4.5 Relationshauteur-débit


Pour la plupart des stations de jaugeage, on définit la relation hauteur-débit en reportant sur un graphique le débit mesuré en abscisse et la cote en ordonnée (ISO, 1981). La forme de la courbe de tarage est fonc-tion des caractéristiques géométriques des éléments du chenal qui constituent le contrôle aval. Reportée sur un graphique en coordonnées orthogonales, la relation apparaît, en général, concave vers le bas (dépendant de la valeur de l’exposant) car le débit peut souvent être décrit comme une fonction puis-sance de la profondeur de l’écoulement. Reportée sur un graphique en coordonnées logarithmiques, elle est donc souvent à peu près linéaire pour les cotes fortes et moyennes, si elles représentent la hauteur d’eau effective au contrôle. Si elle n’est pas linéaire, la relation hauteur-débit est généralement consti-tuée de deux ou de plusieurs segments en raison de modifications brutales de la géométrie et/ou de la rugosité du chenal. La relation hauteur-débit peut facilement être exprimée par une équation mathé-matique à partir des mesures disponibles. Cette équation peut être déterminée par des méthodes graphiques ou par des méthodes de régression. Quelle que soit la méthode utilisée pour déterminer la relation hauteur-débit, sa précision dépend:a) Du nombre de mesures disponibles;b) De la gamme des mesures;c) De l’incertitude moyenne des mesures de débit.

Une relation hauteur-débit ne devrait pas être extrapolée. Lorsqu’une extrapolation se révèle nécessaire, on recommande plutôt de s’appuyer sur l’application de méthodes indirectes basées sur les caractéristiques physiques du chenal et du contrôle hydraulique.

Souvent le débit n’est pas uniquement fonction de la cote et il est nécessaire de mesurer en permanence


d’autres paramètres pour obtenir un enregistrement de débit. Par exemple, lorsqu’un affluent en aval, ou la marée, ou les manœuvres d’un réservoir en aval provoquent un remous variable à la jauge, il faut installer une seconde échelle limnimétrique pour mesurer en permanence la pente de la ligne d’eau dans le bief jaugé. En régime d’écoulement non permanent, avec un lit à faible pente, le gradient de la cote à l’échelle peut jouer un rôle important et, pour un débit donné, la cote sera plus élevée à la crue qu’à la décrue.

5.4.5.2 stabilitédesrelationshauteur-débit

Cette stabilité est directement en rapport avec la stabilité du contrôle Dans les sections de contrôle naturelles, un affleurement rocheux n’aura pas à souffrir de fortes vitesses, mais des bancs de galets, de gravier ou de sable risquent d’être déplacés, les galets étant les plus résistants au déplacement et les bancs de sable les moins stables. De tous les contrôles de cours d’eau, ceux s’écoulant sur du sable sont ceux qui sont le plus sujets à des modifications du fait de l’affouillement et de la sédimentation dus au courant.

Le développement de la végétation aquatique dans une section de contrôle est la cause d’un accroisse-ment de la cote pour un débit donné, surtout pour les faibles débits. Sur le fond et les berges d’un chenal de contrôle, la végétation modifie également la relation hauteur-débit en réduisant la vitesse et la voie de passage de l’eau. En climat tempéré, à l’au-tomne, l’accumulation des feuilles mortes dans les sections de contrôle comble les interstices des hauts-fonds alluviaux et relève les niveaux des sections de contrôle naturelles. La première montée des eaux d’une certaine ampleur qui s’en suit dégage généralement le contrôle provoqué par les feuilles accumulées.

Une couche de glace modifie également la relation hauteur-débit en créant un remous variant selon la quantité et la nature de la glace. Si la section de contrôle reste libre et si la station n’est pas trop éloi-gnée du contrôle, on n’observera probablement très peu ou pas d’effet de remous, même si tout le bief est couvert de glace. Le seul effet de la couche de glace sera de réduire la vitesse d’approche, et cet effet sera probablement de faible portée. Cependant, si la station hydrométrique est à une grande distance en amont du rapide, une couche de glace sur le bief pourra occasionner un remous si la partie couverte du bief devient un chenal de contrôle partiel.

Une couche de glace en aval d’une section de contrôle peut refouler et bloquer suffisamment l’eau pour provoquer un effet de remous sur le contrôle.

De la glace accrochée au fond, ou sur la section de contrôle, peut rehausser le lit ou le contrôle au point que, pour un débit donné, la cote à l’échelle sera supérieure à sa valeur normale. L’étendue des effets de la glace ne peut être déterminée précisément que par la mesure des débits, l’observation des hauteurs correspondantes, et l’analyse des différences avec les hauteurs et débits tirés de la relation hauteur-débit mesurée hors période de glace.

Les diverses autres conditions dont il faut tenir compte lorsqu’on effectue des jaugeages avec de la glace, ainsi que les méthodes à suivre pour effectuer de telles mesures, sont décrites dans la section 5.3.2.5.

Les contrôles artificiels éliminent ou réduisent au minimum bien des inconvénients des sections de contrôle naturelles. Non seulement ils sont physi-quement stables mais encore ils sont moins soumis que leurs équivalents naturels à la croissance pério-dique ou progressive de végétation aquatique On peut éliminer avec une brosse dure les pellicules d’algues qui s’y forment parfois, et les feuilles mortes peuvent s’évacuer automatiquement. Dans les climats modérément froids, les contrôles artifi-ciels risquent moins d’être affectés par la formation de glace en hiver que les contrôles naturels. Toutefois, même si le contrôle artificiel lui-même n’est pas altéré, la relation hauteur-débit peut l’être par la modification de la vitesse d’approche due à l’affouillement et/ou la sédimentation, ou encore par la croissance de la végétation dans le chenal d’approche.

5.4.5.3 fréquencedesmesuresdedébit

Les facteurs à prendre en considération pour programmer le nombre et la répartition des mesures de débit au cours de l’année, sont les suivants:a) La stabilité de la relation hauteur-débit; b) Les caractéristiques et la variabilité saisonnière

du débit; c) L’accessibilité à la station en toute saison.

Pour établir la relation hauteur-débit d’une nouvelle station, il est nécessaire d’effectuer beau-coup de jaugeages à toutes les cotes de l’échelle. Ensuite, il faudra effectuer des mesures périodiques pour suivre les variations de la relation hauteur-débit. On recommande dix jaugeages par an au minimum.

Pendant les crues et en période de gel, il est primor-dial de bien connaître le débit et il est essentiel que le programme prévoie des jaugeages hors routine pendant ces périodes.


Là où il est important de connaître le débit de façon continue toute l’année, il faudra généralement procéder à davantage de jaugeages quand le cours d’eau est recouvert de glace.

Du fait de l’extrême variabilité du débit pendant les périodes de gel et de dégel, les jaugeages devraient être aussi fréquents que possible. En plein hiver, leur fréquence dépendra du climat, de l’accessibilité, de la taille du cours d’eau, des caractéristiques de ruissellement d’hiver et de l’exactitude souhaitée. Pour les climats très froids, dans lesquels le débit décroît lentement, il n’est pas nécessaire d’effectuer autant de jaugeages que pour les climats où alternent gel et dégel.

5.4.6 Calculdelamoyennedeshauteursdejaugecorrespondantàunemesurededébit[SHOFM E71]

Le niveau et l’heure devraient être notés à inter-valles réguliers de façon à identifier avec l’heure et le niveau les débits partiels servant au calcul du débit total. En général, le niveau à la mi-temps de la mesure peut être retenu comme le niveau corres-pondant à la mesure de débit. Toutefois, si le niveau ne varie pas linéairement en fonction du temps, on devrait utiliser la méthode de pondération suivante où h

_ est le niveau pondéré et Q1, Q2,... QN sont les

débits correspondant à h1, h2,... hN:

(5.15)

5.5 DÉbITETAPPORTSSOLIDES

5.5.1 Généralités[SHOFM E09]

Le transport de matériaux par l’eau courante se fait de différentes façons. Selon les caractéris-tiques physiques (taille et forme des particules, poids spécifique, etc.), la composition granu- lométrique des sédiments et les conditions de l’écoulement (vitesse, profondeur), les matériaux peuvent se mouvoir par saltation, roulage ou glis-sement sur ou près du fond, ou bien ils peuvent être soulevés et maintenus en suspension. En général les différentes formes de transport de matériaux se produisent simultanément dans les cours d’eau naturels, et il n’y a pas de délimi- tation bien nette entre elles. Cependant, par commodité, on distingue deux catégories de transports solides: les matières en suspension et le charriage de fond. Ce dernier comprend les particules qui glissent, roulent ou sautent près du ou sur le fond.

Ce chapitre donne des conseils quant à la collecte de données de débit solide; le lecteur se référera, pour une plus ample discussion de ce sujet sur chacune des formes de transport, au Manual on Operational Methods for Measurements of Sediment Transport (WMO-No. 686).

5.5.2 Choixdusite

On devrait utiliser pour une station de mesure du débit solide les mêmes critères que pour le choix d’une station de jaugeage (sections 5.3.2.1 et 5.4.2).

5.5.3 Mesuredudébitdesmatièresensuspension

5.5.3.1 échantillonneursetappareilsdejaugeageinsitu[SHOFM C10]

On connaît divers types d’échantillonneurs de maté-riaux en suspension: dispositifs à prélèvements instantanés, bouteilles, pompes, méthodes par intégration, etc. Toutefois, seuls quelques-uns d’entre eux sont conçus de façon à ce que la vitesse d’entrée dans la prise d’eau de l’échantillonneur soit égale à la vitesse naturelle du courant. Cette caractéristique est essentielle pour que les échantillons obtenus soient vraiment représentatifs de la charge en suspension du cours d’eau au point de mesure. Un échantillon-neur bien conçu se place face au courant et son ajutage se trouve bien en amont de la zone perturbée par sa propre présence.

Les prélèvements instantanés se font en général à l’aide d’un cylindre échantillonneur, horizontal, équipé à ses deux extrémités de clapets dont la fermeture très rapide permet de prélever un échan-tillon à n’importe quel instant ou profondeur. La bouteille de prélèvement, très simple, est bouchée ou dotée d’une embouchure de diamètre variable, jusqu’à pleine ouverture. Dès que la bouteille est ouverte et que l’air en est refoulé par l’eau, un bouillonnement se produit à l’entrée, ralentissant le remplissage. Par conséquent, le prélèvement à la bouteille n’est pas vraiment instantané.

L’échantillonneur à pompe aspire le mélange d’eau et de matières solides par un tube ou un flexible dont la prise d’eau est placée au point de prélèvement. En réglant la vitesse d’aspiration, l’opérateur peut obte-nir un échantillon représentatif de la concentration en matériaux au point de mesure. L’échantillonneur intégrateur se compose d’un saumon creux métal-lique muni de dérives pour l’orienter dans le courant. L’échantillon est recueilli à l’intérieur du saumon. Un ajutage d’entrée de diamètre variable sort du nez du saumon, face au courant. Un tuyau d’évacuation,

h =

Q1h1 + Q2 h2 + K + QN hN

Q1 + Q2 + K + QN


dirigé vers l’aval, permet à l’air de s’échapper du récipient. L’opérateur manœuvre des valves à commandes électriques situées dans le nez du saumon pour enclencher et arrêter l’opération de prélèvement.

L’usage de sondes optiques ou nucléaires constitue une méthode relativement nouvelle de mesure in situ des concentrations de matières en suspension. Le principe de base de cette méthode est que les matières en suspension diffusent et/ou absorbent une lumière visible ou des rayons X émis par une source d’intensité constante. La diminution d’inten-sité, mesurée par un détecteur photoélectrique ou nucléaire situé à une distance fixe de la source, est proportionnelle à la concentration en matériaux, à condition que les autres caractéristiques de l’eau et des matériaux qui y ont une influence (nature chimique, composition minérale, etc.), restent inchangées.

Le bon fonctionnement d’ensemble des échan-tillonneurs de matières en suspension devrait être vérifié en les remorquant dans une eau pure, à une vitesse connue, ou en les maintenant dans une eau s’écoulant à vitesse connue. Les sondes optiques et nucléaires doivent être étalonnées par des prélèvements simultanés et répétés dans des canaux et des cours d’eau naturels chargés en matières solides.


Les échantillons de matières en suspension sont prélevés dans les cours d’eau dans les sections de jaugeage, mais pas nécessairement aux verticales de mesure des vitesses. Dans les lacs, les verticales de mesure sont réparties sur une surface, car dans ce cas, les mesures ont généralement pour but l’étude de la répartition dans le temps et l’espace de la concentration des matières en suspension. Les échantillonneurs sont suspendus dans l’eau, soit par une perche, soit par un câble.

Dans les cours d’eau, deux méthodes donnent des résultats comparables:a) Méthode des incréments de débits égaux (IDE):

la section transversale choisie est divisée en 3 à 10 secteurs de débits à peu près égaux. Un échantillon est prélevé par intégration sur les verticales passant par le centre de chaque secteur, en descendant l’échantillonneur de la surface vers le fond, puis en le remontant à la surface à une vitesse de déplacement constante. Cela donne un échantillon moyen pondéré pour chaque centre de section;

b) Méthode d’égales vitesses de déplacement (EVD): on répartit dans la largeur du courant,

à des distances égales, 6 à 10 verticales, et un échantillon est prélevé par intégration sur chaque verticale avec une même vitesse de déplacement. De cette façon, tous les échan-tillons peuvent être réunis en un seul échantillon représentatif pondéré par le débit (ISO, 1977b).

Avec un échantillonneur ponctuel, les échantillons peuvent aussi être prélevés en des points espacés régulièrement sur chacune des verticales définies ci-dessus, et les concentrations de matières mesurées pondérées par les rapports des vitesses aux points de prélèvement à la vitesse moyenne sur la verticale. Cette méthode peut être combinée en pratique avec les jaugeages par la méthode de la section médiane (section 5.3.2.4) de mesure de débit, parce que les verticales de mesure des vitesses et de prélèvement coïncident.

Les sondes optiques ou nucléaires peuvent s’em-ployer pour les mesures ponctuelles ou par intégration, à condition que le signal électrique de sortie, proportionnel à l’intensité de la lumière ou du rayonnement X, soit totalisé par un intégrateur. Le temps de comptage est de 3 à 5 minutes, selon les caractéristiques statistiques de comptage de chaque appareil.

5.5.3.3 déterminationdelaconcentrationenmatièresensuspension

Les échantillons de matières en suspension sont en général traités et analysés dans des laboratoires spécialisés. Les méthodes d’évaporation, de filtra-tion et de sédimentation sont généralement utilisées à cette fin. De façon générale la méthode d’évapora-tion est appropriée pour les faibles concentrations. La filtration peut être utilisée pour des concentra-tions moyennes à importantes. La méthode de sédimentation ne convient en revanche que pour les fortes concentrations (OMM, 1989). On laisse reposer l’échantillon pendant un à deux jours, puis l’eau est soigneusement vidée du récipient, les matériaux restants sont ensuite séchés au four à environ 110 °C, puis pesés. Si les matériaux solides sont séparés par évaporation, on doit faire une correction pour tenir compte des éléments dissous. La concentration en matières en suspension est la masse de matières sèches contenues dans une unité de volume du mélange eau-sédiment et s’exprime en mgl–1, gl–1 ou en kgm–3.

Les échantillonneurs ont été normalisés dans certains pays pour avoir une capacité d’un litre ou moins L’échantillonnage devrait alors être répété jusqu’à ce que l’on obtienne le prélèvement de sédiment nécessaire (ISO, 1977b).


Les intensités de lumière ou de rayonnement X indiquées sur les jauges in situ par les sondes optiques ou nucléaires immergées devraient être divisées par l’intensité mesurée en eau claire, et la concentration correspondant au rapport obtenu lue sur les courbes d’étalonnage de ces instruments.

5.5.3.4 calculdudébitdesmatièresensuspension

Pour la méthode IDE la concentration moyenne pondérée c

_s en kg m–3 pour la section transversale

entière est calculée comme:

(5.16)

où qp est le débit partiel du secteur en m3 s–1 et cq est la concentration moyenne pondérée par le débit de la verticale au centre du secteur exprimée en kg m–3 (ISO, 1977b).

Pour la méthode EVD, la concentration de l’échan-tillon composite est la concentration moyenne pondérée de la section entière. Le débit des matières en suspension Qs se calcule comme:

Qs = c_

s Q (5.17)

où Qs est exprimé en kg s–1 et où Q est le débit liquide du cours d’eau en m3 s–1.

5.5.3.5 relevéencontinududébitdesmatièresensuspension

On peut calculer de tels débits à partir de l’enregis-trement des débits liquides et par un échantillonnage systématique pour déterminer la concentration des matières en suspension. Les prélèvements devraient être quotidiens en basses et moyennes eaux, et plus fréquents en période de crue. La meilleure informa-tion concernant la variation dans le temps de la concentration et ses valeurs maximales est obtenue par l’enregistrement continu des signaux fournis par la sonde photoélectrique ou nucléaire pendant les crues. En général, la concentration maximale précède le débit maximum, et l’on peut observer, sur les courbes de débit solide en fonction du débit liquide, des boucles analogues à celles des courbes de tarage pendant les crues.

Les échantillons ou les enregistrements sont recueillis sur une seule verticale dans la section transversale, de préférence au moyen de la méthode de prélèvement continu suivant la verticale. La rela-tion entre la concentration à cette verticale et la concentration moyenne de la section doit être

établie à l’aide de mesures détaillées de la réparti-tion des sédiments dans la section transversale, comme expliqué dans la section 5.5.3.2. Cette rela-tion n’est pas forcément linéaire et invariable au cours de l’année, ni pour toutes les gammes de concentration.

5.5.3.6 utilisationdetechniquesdetélédétection

La détermination de la quantité de sédiments dans l’eau est basée sur la réflectance dans les parties visibles et infrarouges du spectre (OMM, 1972). En général la réflexion est une fonction non linéaire de la concentration en matières en suspension, avec une réflectance maximale dépendant de la longueur d’onde et de la concentration en matières en suspension. Comme la turbidité et les matières en suspension sont fortement liées dans la plupart des masses d’eau, on peut faire aussi des estima-tions de la turbidité. La nécessité de collecter des données sur le terrain pour étalonner la relation entre matières en suspension et réflectance impose une limite à l’utilisation de cette technique. D’autre part des données de radiomètre à balayage peuvent être utilisées sans étalonnage pour carto-graphier les concentrations relatives en matières en suspension dans les panaches de rivières, et tirer des conclusions sur le mode de déposition dans les lacs et les estuaires. Dekker et al. (1995) présentent un bon compte rendu des applications de la télédétection à l’estimation des matières en suspension.

5.5.4 Mesuredudébitdecharriagedefond

5.5.4.1 Instrumentsdemesure[SHOFM C12]

La mesure sur le terrain du charriage de fond est difficile en raison du caractère aléatoire du mouve-ment de ces matériaux et parce que le phénomène se produit sous forme de rides, dunes et bancs. Aucun appareil n’a prouvé sa capacité à piéger avec la même efficacité les plus grosses et les plus petites particules transportées, tout en gardant une position sur le fond stable et orientée dans le sens du courant, et sans perturber pour autant l’écoulement naturel ni le mouvement des maté-riaux. Les échantillonneurs disponibles se classent en trois types: les nasses, les cuves et les dispositifs à différence de pression (ISO, 1977c). Un autre type d’échantillonneur est le modèle à fente ou à trappe que l’on peut principalement adapter aux rivières relativement petites, et particulièrement pour les études expérimentales ou l’étalonnage d’échantillonneurs (Emmett, 1981).

c =cq

sqp∑

qp∑


Les nasses sont en général en grillage avec une ouverture face au courant, travers lequel le mélange eau-matériau va circuler. Le grillage devrait laisser passer les matières en suspension, mais retenir les transports de fond.

Les cuves sont en général de section longitudinale triangulaire et disposées de telle sorte que la pointe du triangle fait face à l’amont. Elles sont munies de chicanes et de rainures pour retenir les matériaux en mouvement.

Les échantillonneurs à différence de pression sont conçus de façon à provoquer à la sortie une chute de pression suffisante pour compenser la perte de charge, et afin d’obtenir une vitesse d’entrée égale à celle du courant non perturbé. Une membrane perforée à l’intérieur de l’appareil force le courant à abandonner ses transports de fond dans la chambre de dépôt et à s’écouler par l’orifice supérieur.

Du fait de nombreuses incertitudes imputables à l’échantillonnage, il faut déterminer un coefficient d’efficacité pour chaque type d’appareil. L’étalonnage se fait généralement dans un canal de laboratoire où l’on peut mesurer directement le transport de fond dans une fosse à l’extrémité du canal, bien qu’il soit difficile de maintenir des conditions de transport uniformes sur la largeur et la longueur du canal. Même dans des conditions favorables, les facteurs d’efficacité ne se mesurent pas facilement, car ils dépendent, entre autres, de la granulométrie des matériaux de fond et du niveau de remplissage de l’échantillonneur. En tout cas, une efficacité de 60 à 70 % peut être considérée comme satisfaisante.


Le charriage de fond est déterminé d’après la quan-tité de matériaux retenue par unité de temps dans un échantillonneur en un ou plusieurs points du lit. Il devrait y avoir en général 3 à 10 points de mesure dans une section transversale, selon la largeur de la section et la répartition de la concentration en sédi-ments. Lorsqu’on répartit les points de prélèvement dans la section, il faudrait remarquer que, sauf durant les crues, le charriage de fond se limite à une partie du lit seulement.

L’introduction dans le calcul du charriage de fond d’une mesure zéro peut entraîner un résultat incer-tain, même si le point d’échantillonnage est situé entre deux bandes de fond mobiles. L’incertitude peut aussi venir de l’extension d’un taux de débit solide à une portion de la section transversale où les matériaux se déplacent peu ou pas du tout.

Pour les lits de graviers, où le mouvement partiel des matériaux de fond est très caractéristique, diffé-rents modèles de détecteurs acoustiques peuvent contribuer à résoudre ce problème. Immergés au voisinage du fond, ces détecteurs captent le bruit de roulement des graviers en mouvement, indiquant le mouvement des matériaux de fond à cet endroit précis. En outre, il est possible de corréler l’intensité du son et l’intensité du débit de matériaux transportés.

Les échantillonneurs sont descendus au fond et maintenus en place avec une perche ou un câble (voir, par exemple, la figure I.5.6). La durée de prélè-vement est généralement de quelques minutes, selon les dimensions de l’appareil et l’intensité du transport. Lorsque la vitesse du courant est faible près du fond, la force d’entraînement du courant l’est aussi, et l’échantillonneur a tendance à plon-ger dans le lit et à prélever des matériaux de fond qui ne sont pas en mouvement. Cela peut aussi arriver au cours d’une remontée rapide ou sans précaution de l’appareil.

Il faudrait faire des mesures pour des débits variés de telle sorte que l’on puisse préparer une estima-tion de la correspondance entre débit liquide et débit de charriage de fond. Compte tenu de la grande complexité du phénomène de transport, de sa nature aléatoire et des erreurs d’échantillonnage, un seul prélèvement à un point de mesure peut fournir une estimation très imprécise du véritable transport de fond. Par conséquent, il faudrait faire des prélèvements répétés à chaque point de mesure. Le nombre de répétitions dépend des conditions locales. Toutefois, l’analyse statistique des résultats provenant de cent répétitions a montré que le char-riage de fond ne peut être mesuré qu’avec une exactitude limitée, à moins de prélever un nombre irréaliste d’échantillons à chaque point.

figureI.5.6.échantillonneur«nile»dedelftconstituéd’unéchantillonneurdechargede

fondetdechargeensuspension,accompagnésd’unecaméravidéosous-marine


5.5.4.3 Calculdudébitdecharriagedefond

Les sédiments recueillis dans l’échantillonneur sont séchés et pesés. Le poids sec, divisés par le temps de prélèvement et la largeur de l’échantillonneur, donne le débit solide de fond par unité de largeur du cours d’eau au point de mesure qb. On peut tracer une courbe représentative de la variation de qb dans la section, fondée sur les mesures aux points de prélèvement. L’aire comprise entre la courbe et la surface de l’eau représente le débit journalier de charriage de fond Qb pour la totalité de la section de traverse. La valeur de Qb peut aussi être calculée à partir des qb mesurés comme:

(5.18)

où Qb est exprimé en kg s–1, qb en kg s–1 m–1 et x en m. La variable x représente la distance entre les points de mesure, entre un point latéral et le bord de la surface du cours d’eau ou la surface de la partie mobile du lit.

L’existence de barrages retenant la plus grande partie des transports solides apportés des rivières en amont offre la possibilité d’estimer les apports annuels ou saisonniers en matériaux en relevant périodiquement des profils du réservoir sélection-nés pour leur caractère approprié, et en calculant le volume occupé par les matériaux retenus. Cette méthode, combinée avec l’échantillonnage régulier des matières en suspension à l’amont et à l’aval du barrage, peut fournir des estimations acceptables du transport de fond.

5.5.4.4 Enregistrementencontinuducharriagedefond

Il est possible d’obtenir un relevé continu du charriage de fond en le corrélant avec le débit liquide ou d’autres variables hydrauliques à l’aide des relevés disponibles. On peut admettre que cette relation est approximativement linéaire pour les débits liquides supérieurs à la valeur limite correspondant à la mise en mouvement de maté-riaux, car la force motrice du courant croît en proportion directe avec l’accroissement de débit. Le charriage de fond est d’un intérêt primordial pour tout ce qui a trait aux recherches concernant les modifications du lit.

Bibliographie et lectures complémentaires

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Qb =qb12

x1+q b1 qb22

x2 + K ...

+qbn – 1+ qbn

2xn–1 +

+

qbn2

xn


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