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Module de formation en Débitmétrie 1ère partie : Choix du site de jaugeage – Él

Module de formation en Débitmétrie 1ère partie : Choix du site de jaugeage – Éléments d’hydraulique fluviale IRD - Unité OBHI (Observatoires Hydrologiques et Ingénierie) WMO / OMM Projets Niger-HYCOS et Volta-HYCOS Autorité du Bassin du Niger 1ère partie : Choix du site de jaugeage – Éléments d’hydraulique fluviale 1. Définition et principe d’un jaugeage 2. Le lit naturel d’un cours d’eau : grandeurs caractéristiques 3. Le contrôle hydraulique 4. Critères de choix d’un site de jaugeage • Hydrométrie : méthodologie et technique de la mesure des hauteurs d'eau et des débits dans les cours d'eau. • Station hydrométrique : Section d’un cours d’eau où sont mesurées : – la côte de la surface d’eau libre (limnimétrie) : h (m) – le débit du cours d’eau (débitmétrie) : Q (l/s ou m3/s) • Difficulté de mesurer le débit en continu (technologie existante mais coûteuse – cf débitmètre à ultrason) Suivi continu de la hauteur d’eau Jaugeages : détermination de la courbe d’étalonnage du cours d’eau Q=f(h) 1. Définition et principe d’un jaugeage • Étalonner une station, c’est rechercher la relation entre les cotes et les débits, afin de transformer la courbe des hauteurs en courbe des débits • Exemple : courbe d’étalonnage de la station de Gonsé sur la Massili (Nakambé, BF) • Remarque : Système anglo-saxon : h = f(Q) Relation Q = f(h) 1. Définition et principe d’un jaugeage • Grandeurs géométriques caractéristiques • Nature et stabilité du lit • Le cours d’eau, un système dynamique et évolutif 2. Le lit naturel d’un cours d’eau : grandeurs caractéristiques La géométrie du lit : le tracé en plan Lit en tresses : Îles et chenaux enlacés Cours d’eau à forte pente et forte charge alluviale Lit en méandre: Chenaux sinusoïdaux Cours d’eau à faible pente (Plaine alluviale) 2. Le lit naturel d’un cours d’eau : grandeurs géométriques caractéristiques Lit mineur et lit majeur 2. Le lit naturel d’un cours d’eau : grandeurs géométriques caractéristiques La géométrie du lit : le profil en long Grandeurs caractéristiques : •Pente du fond : I = sin Ө (Ө = angle entre la droite joignant 2 seuils successifs et l’horizontal) •Pente superficielle : J 2. Le lit naturel d’un cours d’eau : grandeurs géométriques caractéristiques La géométrie du lit : la section transversale Grandeurs caractéristiques : •Surface mouillée : S (m2) •Périmètre mouillé : p (m) •Rayon hydraulique : Rh = S/p 2. Le lit naturel d’un cours d’eau : grandeurs géométriques caractéristiques • Calcul de la surface mouillée : Méthodes des trapèzes : ΔS = (li+1 - li ) * pi+1 + pi )/2 • Calcul du périmètre mouillé : théorème de Pythagore 2. Le lit naturel d’un cours d’eau : grandeurs géométriques caractéristiques li li+1 pi pi+1 La nature du lit 2. Le lit naturel du cours d’eau : nature et stabilité du lit Lit sableux : Station de Bittou (rivière Nohao, bassin du Nakambé, BF) Lit rocheux : Station de Kara (rivière Kara, bassin de l’Oti, Togo) La nature du lit : rugosité 1. Le lit naturel du cours d’eau 20 à 10 0.050 à 0.100 Lits naturels avec végétation 33 0.030 Lits naturels propres à fond rugueux 50 0.020 Lits naturels propres à fond lisse n Nature du lit Formule de Manning-Strickler : Q = S*V = S*(Rh2/3 * i1/2 * 1/n) •S : Surface mouillée •Rh : Rayon hydraulique •i : Pente hydraulique (pente de la ligne d’eau) n : Coefficient de Manning K = 1/n : Coefficient de rugosité (coefficient de Strickler) 2. Le lit naturel du cours d’eau : nature et stabilité du lit La nature du lit : stabilité 2. Le lit naturel du cours d’eau : nature et stabilité du lit Ex2 : Effet du remblaiement en décrue sur le courbe d’étalonnage d’une station Ex 1 : Effet du déblaiement en décrue sur le courbe d’étalonnage d’une station 2. Le lit naturel du cours d’eau : nature et stabilité du lit •Translation latérale des chenaux (érosion des berges) •Modification des sections transversales et longitudinales (remblaiement / déblaiement) Exemple : Évolution du lit de l’Allier (France) Tracé actuel Tracé de 1946 Le cours d’eau : un système dynamique, dans le temps et dans l’espace (notion de dynamique fluviale) 2. Le lit naturel du cours d’eau Le cours d’eau : un système dynamique, dans le temps et dans l’espace (notion de dynamique fluviale) Variations de morphologie du cours d’eau peuvent être provoquées par l’homme : Modification de l’équilibre sédimentaire Conséquence sur la morphologie du cours d’eau (Ex : Incision du lit) •Sur-exploitation des alluvions (gravière) •Endiguement •Barrage •… Modification de la courbe d’étalonnage de la station 2. Le lit naturel du cours d’eau • Définition • Types de contrôle • Stabilité du contrôle 3. Le contrôle hydraulique Station de Boromo (Mouhoun, BF) • L’écoulement dans une section limnimétrique se trouve sous contrôle lorsque la géométrie d’un bief restant invariable, un même débit s’écoule toujours sous la même hauteur • 2 types de contrôle : – Channel control (écoulement pseudo-uniforme) – Section de contrôle (écoulement critique) Définition du contrôle hydraulique 3. Le contrôle hydraulique : définition Channel control (écoulement pseudo-uniforme) : •Conditions géométriques et hydrauliques : •Bief de géométrie régulière •Débit suffisant pour occuper le lit apparent sur toute sa largeur •Pente suffisante pour assurer un bon transit du débit •Dans ces conditions, il s’établit un régime d’écoulement pseudo-uniforme : •Les caractéristiques de l’écoulement sont identiques d’une section à l’autre (même surface mouillée, même hauteur d’eau, même vitesse, ….) •La pente de la ligne d’eau est à peu près la même que la pente du fond 3. Le contrôle hydraulique : types de contrôle Channel control (écoulement pseudo-uniforme) : •Formule de Manning Strickler : Q = S*V = S*(Rh2/3 * i1/2 * 1/n) Rh : rayon hydraulique i : pente hydraulique 1/n : coefficient de Manning Avec i ~ pente du fond (écoulement uniforme) •Relation univoque Q = f(héchelle ) 3. Le contrôle hydraulique : types de contrôle Section de contrôle (écoulement critique) Régime critique s’établit au droit de la section : Q = fonction univoque de hamont : le débit ne dépend que de la hauteur d’eau en amont de la section de contrôle (pas d’influence de l’aval) 3. Le contrôle hydraulique : types de contrôle Différents types de section de contrôle : A) seuil, B) rétrécissement, C) changement de pente Stabilité du seuil de contrôle 3. Le contrôle hydraulique : stabilité Stabilité du seuil de contrôle 3. Le contrôle hydraulique : stabilité Seuils de contrôle artificiels (déversoirs) 3. Le contrôle hydraulique Le contrôle hydraulique En résumé: •un écoulement dans un bief s’effectue sous contrôle hydraulique lorsqu’à chaque débit, correspondent des caractéristiques hydrauliques bien définies, en particulier une même hauteur d’eau; •le contrôle peut être localisé dans une section de contrôle ou peut, au contraire s’exercer par un tronçon du lit (Channel-Control); •la qualité fondamentale d’un bon contrôle est sa permanence: ¾dans l’espace par son efficacité pour tous les débits; ¾dans le temps par la stabilité de ses caractéristiques géométriques et hydraulique. Instabilité du contrôle Détarage de la station 3. Le contrôle hydraulique Trois types de sections caractéristiques sont définies dans un bief hydrométrique (Q constant tout au long du bief) : • Section de l’échelle limnimétrique ( =section de référence) • Section de contrôle (existante ou non) • Section de jaugeage 4. Critères de choix d’un site de jaugeage • Choix du site de la station hydrométrique : – Chenal unique – absence de débordement – Bief rectiligne – Stabilité du lit (matériaux résistant) – Sensibilité de la section – Seuil de contrôle stable – Accessibilité de la station 4. Critères de choix d’un site de jaugeage Sensibilité de la station •La sensibilité de la station est d’autant meilleure qu’une grande variation de la hauteur lue à l’échelle correspond à une faible augmentation du débit traversant la section de l’échelle. •Sensibilité exprimée par le rapport ou Δ Δ Q h Δ Δ Q Q h / 4. Critères de choix d’un site de jaugeage 4. Critères de choix d’un site de jaugeage •Choix de la section de jaugeage : – Caractéristiques recherchées : –Section transversale stable et régulière –vitesses d’eau suffisantes, –filets d’eau parallèles –Hautes eaux : attention à l’influence aval de barrage, ou d’affluent (effet de reflux) –Basses eaux : –Jauger à proximité de la section de l’échelle (phénomènes d’infiltration dans les alluvions) –Présence naturel ou construction d’un seuil pour contrôler et jauger les bas débits Quelques liens… • Hydrométrie : – http://wwwrcamnl.wr.usgs.gov/sws/SWTraining/FlashFandR/Index.html : un très bon cours d’hydrométrie en ligne, sur le site de l’USGS ‘U.S. Geological Survey’ (en anglais !) – http://www.usobhi.net : le site de l’unité IRD-OBHI – http://hydram.epfl.ch/e-drologie/ : le site de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausane (EPFL) – http://www.enpc.fr/cereve/HomePages/gaume/courshydro/courshydro.html#4 (E.N.Pont et Chaussées-CEREVE) • Quelques constructeurs de matériel hydrologique (sur le Net…) : – OTT (Allemagne) – SEBA (Allemagne) – Eijkelkamp – Sutron (USA) – RD Instruments (ADCP) – … uploads/Litterature/ choix-section-jaugeage.pdf