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WMO / OMM PROJET Volta - HYCOS STAGE DE FORMATION Décembre 2006 FORMATION EN HY

WMO / OMM PROJET Volta - HYCOS STAGE DE FORMATION Décembre 2006 FORMATION EN HYDROMETRIE INSTALLATION D’UNE STATION HYDROMETRIQUE CONNAISSANCE DU TERRAIN - ASPECTS THEORIQUES Unité Observatoire Hydrologiques et Ingénierie (OBHI) IRD - Montpellier Projet Volta – HYCOS Stage Formation "Techniques hydrométriques" Installation d’une station hydrométrique Connaissance du terrain – aspects théoriques Page - 1 - Unité Observatoire Hydrologiques et Ingénierie (OBHI) IRD - Montpellier Projet Volta – HYCOS Stage Formation "Techniques hydrométriques" Installation d’une station hydrométrique Connaissance du terrain – aspects théoriques Page - 2 - AVERTISSEMENT Ce document traite du thème de l’installation des stations hydrométriques et de leur gestion, sujet vaste et complexe qu’il est illusoire de prétendre explorer de manière exhaustive en quelques pages. Complété par les notes, visites de terrain et échanges d’expériences entre participants, ce document devrait constituer un bon mémento pour les hydrométristes anciens ou nouveaux qui suivent ce cours. Ce document, dont la diffusion est strictement limitée, à été préparé à partir des ouvrages cités en référence dont nous avons extrait les passages qui nous paraissaient les plus didactiques, et de l’expérience professionnelle de l’animateur. Unité Observatoire Hydrologiques et Ingénierie (OBHI) IRD - Montpellier Projet Volta – HYCOS Stage Formation "Techniques hydrométriques" Installation d’une station hydrométrique Connaissance du terrain – aspects théoriques Page - 3 - SOMMAIRE INTRODUCTION 1 LE LIT DU COURS D’EAU NATUREL ...................................................................................................... 4 1.1 Géométrie du lit ...................................................................................................................................... 4 1.2 Tracé en plan........................................................................................................................................... 4 1.3 Profil en long........................................................................................................................................... 5 1.4 Section transversale................................................................................................................................. 6 1.5 Nature du lit ............................................................................................................................................ 8 2 LES ÉCOULEMENTS ................................................................................................................................. 10 2.1 Grandeurs caractéristiques .................................................................................................................... 10 2.2 Régimes d’écoulement.......................................................................................................................... 12 2.3 Contrôle hydraulique............................................................................................................................. 16 3 LA STATION HYDROMETRIQUE ........................................................................................................... 23 3.1 Grandeurs mesurées .............................................................................................................................. 23 3.2 Choix du site ......................................................................................................................................... 23 3.3 Sections caractéristiques ....................................................................................................................... 26 3.4 Sections de contrôle artificielles ........................................................................................................... 28 4 DEVERSOIRS ET SEUILS.......................................................................................................................... 30 4.1 Déversoirs triangulaires en mince paroi................................................................................................ 30 4.2 Déversoirs rectangulaires en mince paroi ............................................................................................. 31 4.3 Choix du type de déversoir en mince paroi........................................................................................... 34 4.4 Déversoirs à seuils épais ....................................................................................................................... 35 4.5 Autres dispositifs................................................................................................................................... 37 5 LES CAPTEURS.......................................................................................................................................... 40 5.1 Caractéristiques des capteurs ................................................................................................................ 40 5.2 Les échelles limnimétriques.................................................................................................................. 40 5.3 Les capteurs directs............................................................................................................................... 42 5.4 Capteurs utilisant la pression hydrostatique.......................................................................................... 47 6 LE DOSSIER DE STATION........................................................................................................................ 52 7 CHAINE D’ACQUISITION DES DONNEES LIMNIMETRIQUES......................................................... 55 8 ANNEXES.................................................................................................................................................... 56 8.1 Exemple de descriptif de station : l’Oubangui à Bangui....................................................................... 56 8.2 Fiche de visite de station....................................................................................................................... 58 8.3 Fiche de reconnaissance de site de station hydrométrique.................................................................... 59 8.4 Notice de la fiche de visite de station.................................................................................................... 60 8.5 Extrait de la feuille topographique........................................................................................................ 62 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES - Manuel d’hydrométrie ORSTOM - Tome V - Tracé de la courbe de tarage et calcul des débits. G. JACCON. - Manuel d’hydrométrie ORSTOM - Tome IV - Mesure des débits à partir des vitesses. M. ALDEGHERI - Hydrométrie appliquée aux cours d’eau. M. AUDINET. Coll.de la D.E.R.E.F. - L’hydrologie de l’ingénieur. G. REMENIERAS. Coll. de la D.E.R.E.F. - Cycle postgrade inter-universitaire en hydrologie et hydrogéologie. Résumé des cours. Cours de base, fondements et spécialisation en hydrologie. n° 184 - V. LAGLAINE, I.NOURI, F.D. VUATAZ. Lausanne 1990. - Hydrologie de surface. M. ROCHE - Hydrologie générale - Principes et applications. J. LLAMAS Unité Observatoire Hydrologiques et Ingénierie (OBHI) IRD - Montpellier Projet Volta – HYCOS Stage Formation "Techniques hydrométriques" Installation d’une station hydrométrique Connaissance du terrain – aspects théoriques Page - 4 - INTRODUCTION Le contrôle continu du débit des cours d’eau évoque de façon presque générale, chez les hydrologues, la notion de station de jaugeage, désignation usuelle du procédé archaïque, encore très souvent seul en usage qui consiste à mesurer et à enregistrer sous une forme analogique ou numérique les variations du niveau de l’eau en un point d’une rivière. Il existe en fait des méthodes de contrôle permanent du débit d’un cours d’eau aussi valables que les stations limnigraphiques : les barrages déversoirs, les usines hydrauliques, les stations de pompage constituent souvent des ensembles de mesure d’excellente qualité. On peut espérer que dans les prochaines années un procédé de contrôle direct du débit sera mis au point, évitant de mesurer cette variable intermédiaire qu’est la hauteur d’eau. On trouve actuellement un certain nombre de biefs de mesure équipés de stations de mesure de la vitesse par ultrasons. Le coût encore élevé en limite l’usage. En fait, hélas, on peut craindre que les stations de jaugeage traditionnelles n’aient encore de belles années à vivre. La relation qui existe entre le débit d’un cours d’eau dans une section transversale et la hauteur sous laquelle ce débit s’écoule, est une fonction très complexe des caractéristiques géométriques et hydrauliques de la section considérée et du bief qui la contient, bief dont l’extension peut être considérable. 1 LE LIT DU COURS D’EAU NATUREL Vecteur de l’écoulement, il lui impose des contraintes par sa forme et la rugosité de ses parois. L’un des problèmes essentiels du tarage des stations hydrométriques a pour origine l’instabilité dans le temps de ces deux caractéristiques. 1.1 Géométrie du lit On désigne sous ce terme la définition et la description du cours d’eau naturel, considéré dans son tracé en plan, son profil longitudinal et sa section transversale. Nous nous plaçons toujours ici, dans les limites du bief d’une station hydrométrique. 1.2 Tracé en plan Son examen, sur le terrain ou sur une photographie aérienne, permet de différencier : a) les lits rocheux, ou principalement rocheux, dont le tracé dépend de la résistance à l’érosion des formations géologiques et de l’existence d’accidents tectoniques : le tracé est généralement très irrégulier et accompagne la direction des failles et fractures (tracés en « baïonnette ») ; b) les lits entièrement alluvionnaires que J.C LEBRETON classe et décrit comme suit, suivant la nature érosive des berges et la pente générale : • les lits à méandres, qui sont les plus fréquents, présentent une allure sinusoïdale assez régulière dont la longueur d’onde est de l’ordre de 7 à 12 fois la largeur ; les méandres progressent en général vers l’aval ; Unité Observatoire Hydrologiques et Ingénierie (OBHI) IRD - Montpellier • les lits en tresses sont caractérisés par des îles et des chenaux multiples entrelacés ; ils correspondent à des cours d’eau à forte pente et à fort transport solide ; • les lits rectilignes sont rares et ne portent que sur des biefs de longueur assez courte, de l’ordre de 10 fois la largeur ; dans ces biefs, le lit mineur est sinueux et va d’une berge à l’autre en constituant des seuils et des mouilles. La station hydrométrique est normalement installée dans un tronçon rectiligne à chenal unique. Mais ce n’est pas toujours le cas et un examen approfondi du tracé en plan doit être fait avec soin pour détecter tout bras secondaire pouvant exister, quelquefois à plusieurs kilomètres du lit principal. Les singularités du tracé en plan sont constituées par les coudes, les confluences et défluences. Chacune d’elles peut avoir une influence sur l’écoulement au droit d’une échelle limnimétrique installée à proximité. 1.3 Profil en long Le bief est considéré de l’amont vers l’aval. Le profil en long est représenté dans le plan vertical qui suit la ligne des profondeurs maximales de chaque profil en travers (figure I.1). Deux lignes composent le profil : l’une, inférieure correspond à la trace du fond du lit sur le plan vertical, l’autre supérieure est la trace de la surface libre de l’eau. Sur la figure 1.1 ont été tracées deux lignes d’eau correspondant l’une à un débit faible (basses-eaux), l’autre à un débit important (hautes-eaux). Le profil de hautes-eaux est généralement plus régulier que le profil de basses-eaux qui prend l’allure d’une ligne brisée, comme la trace du fond du lit. Les points bas du fond sont les mouilles (entre les points A et B sur la figure 1.1), zones profondes à vitesses d’écoulement lentes, et les points hauts sont les seuils ou maigres, secteurs à faible profondeur et à courant rapide (en A ou en B sur la figure 1.1). La pente longitudinale du fond du lit est très variable. Elle est définie par le sinus de l’angle que forme le fond avec le plan horizontal. On définit une pente longitudinale moyenne dans un bief par le sinus de l’angle avec l’horizontale de la ligne joignant deux seuils successifs. Nous la désignerons plus simplement par l’expression pente de fond et elle sera symbolisée par la lettre I : I = Sin θ Projet Volta – HYCOS Stage Formation "Techniques hydrométriques" Installation d’une station hydrométrique Connaissance du terrain – aspects théoriques Page - 5 - Unité Observatoire Hydrologiques et Ingénierie (OBHI) IRD - Montpellier Figure 1.1 : Profil en long (tiré de G. JACCON). Dans le bief d’une station hydrométrique, la mesure de la pente du fond est faite par nivellement du fond du lit sur plusieurs centaines de mètres, de part et d’autre de l’échelle. On peut ainsi déterminer les deux seuils qui doivent être utilisés pour le calcul de I. La pente du fond, est une caractéristique géométrique peu variable dans le temps, uploads/Litterature/ notes-hydro-terrain.pdf