I = sin
.
L’hydrométrie recouvre la méthodologie et la technologie de la mesure des hauteurs d'eau et des débits dans les cours d'eau.
Le contrôle continu du débit des cours d’eau se fait de façon générale par la mise en œuvre de stations hydrométriques à partir desquelles on mesure les variations du niveau de l’eau à l’aide d’échelles limnimétriques, ou que l'on enregistre à l’aide de limnigraphes, sous une forme analogique ou numérique.
Il existe, en fait, d’autres méthodes mettant en œuvre des barrages déversoirs, des usines hydrauliques, ou des stations de pompage qui constituent souvent des ensembles de mesure d’excellente qualité.
La mesure des hauteurs d'eau ou de la variation d'un plan d'eau peut se faire sur n'importe quel repère fixe en mesurant la différence d'altitude entre ce repère et la surface du plan d'eau.
Pour permettre une lecture et une comparaison rapide des différentes hauteurs, on utilise généralement une règle graduée fixée sur un support, c'est l'échelle limnimétrique. Pour connaître en continu les variations d'un plan d'eau, on utilise des limnigraphes.
Les principaux types de limnigraphes utilisés actuellement sont:
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 (étalonnage ou tarage),
est fonction des caractéristiques géométriques et
hydrauliques de la section considérée et du bief qui la contient.
Cette relation détermine le choix de la localisation et de la composition
d’une station hydrométrique.
Le lit du cours d’eau impose
des contraintes à l’écoulement notamment par sa morphologie
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.
La géométrie du lit décrit le cours d’eau naturel, dans son tracé en plan, son profil longitudinal et sa section transversale, dans les limites du bief de la station hydrométrique considérée.
4.2.1.1. Tracé en plan.
L’examen du tracé en plan, sur le terrain ou sur une photographie aérienne, permet de différencier:
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.
4.2.1.2. 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. 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.
On trace 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), zones profondes à vitesses d’écoulement lentes, et les points hauts sont les seuils ou maigres, secteurs à faible profondeur et à courant rapide.
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.
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, même pour les lits à fond mobile, puisqu’elle dépend surtout de la topographie de la région.
La pente superficielle J est le sinus de l’angle de la ligne d’eau avec le plan horizontal. J est une caractéristique de l’écoulement, généralement variable avec le débit. Elle ne doit pas être confondue avec I.
4.2.1.3. Section transversale.
On appelle section transversale, la section plane d’un cours d’eau perpendiculaire à la direction de l’écoulement. Outre le fait que cette direction n’est pas toujours bien définie, une telle section n’est pas rigoureusement verticale, en raison de la pente de l’écoulement.
Généralement, la section transversale est une section verticale de direction perpendiculaire aux rives, définition très proche de la précédente si l’on ne se situe pas dans une singularité du tracé en plan.
Les éléments géométriques de la section transversale sont définis en fonction du niveau de l’eau et varient donc avec lui. Le repère de niveau habituellement choisi est la profondeur maximale. Dans la section transversale qui contient l’échelle limnimétrique, appelée section de l’échelle, on utilisera toujours la hauteur lue sur l’échelle, encore appelée cote limnimétrique (fig. 4.1).
Fig. 4.1. Profil en long (tiré de G. JACCON).
Fig. 4.2. Éléments géométriques de la section transversale.
Les éléments géométriques de la section transversale sont (fig. 4.2):
;
la surface mouillée peut être calculée par la méthode
des trapèzes, exprimée par la formule suivante:
,
étant l’accroissement de surface mouillée entre les deux
profondeurs 
et 
auxquelles correspondent les largeurs 
et 
, la première
valeur de S correspondant à la plus basse cote est obtenue
soit par planimétrage, soit par décompte des 
sur le graphique millimétré ;Le profil en travers est utilisé pour la mesure de la largeur superficielle à différentes hauteurs choisies a priori.
En résumé :
Elle intervient dans le processus d’écoulement par la rugosité du lit et par la mobilité des matériaux.
4.2.2.1. Rugosité.
Elle caractérise la résistance du lit au déplacement de l’eau. Elle varie d’un secteur à l’autre du lit avec la nature physique du matériau et avec sa granulométrie. La présence d’ondulations dans les fonds sableux (dunes dissymétriques ou petites rides régulièrement espacées), ou l’existence d’éléments secondaires rapportés (végétation, cailloux, détritus) l’augmente considérablement.
La rugosité du lit peut-être évaluée par la valeur du coefficient n de la formule de MANNING qui s’écrit (tab. 4.1):
|
|
|
 |
| Lits bétonnés |
|
|
| Lits naturels propres à fond lisse |
|
|
| Lits naturels propres à fond rugueux |
|
|
| Lits naturels avec végétation |
|
|
,
ou bien par la valeur du coefficient K de la formule de STRICKLER qui est équivalente:
,
R - le rayon hydraulique en m;
J - la pente superficielle.
. Sa valeur
peut être calculée par:
lorsque les trois éléments U, R et J
ont été mesurés au cours d’un jaugeage.
4.2.2.2. Mobilité. Tous les lits qui ne sont pas creusés dans une roche dure, un conglomérat ou une argile compacte sont mobiles et plus ou moins rapidement déformables. Cette déformation peut jouer un rôle important dans l’instabilité chronologique de la relation hauteur-débit.
La mobilité des matériaux apparaît différente selon qu’il s’agit du fond du lit ou des berges.
Elle est particulièrement accentuée au fond du lit lorsque les vitesses d’écoulement sont fortes (pente longitudinale élevée) et lorsque les matériaux sont fins et sans cohésion. La mobilité du fond prend la forme d’une alternance de phases de mise en mouvement avec creusement et de phases de dépôt avec remblaiement.
Le processus qui règle ces mouvements est assez complexe et souvent difficile à prévoir: certaines crues creusent, d’autres remblaient, certaines passent sans action apparente.
Mais lors de crues exceptionnelles, la quantité de matériaux mise en mouvement peut être énorme: les exemples les plus remarquables sont observés sur les stations à fond sableux, situées dans des défilés rocheux, à l’amont d’un brusque élargissement du lit. Le passage d’un débit très élevé entraîne une rapide augmentation de la pente superficielle, due à l’effet de contraction du site et à la montée plus lente des eaux vers l’aval. Il n’est alors pas rare que la section mouillée s’accroisse autant par surcreusement du fond que par élévation du niveau de l’eau.
La mobilité du lit
peut être provoquée par des actions de l'homme sur le milieu.
Des affaissements du lit peuvent intervenir de façon spectaculaire
lorsque des matériaux sont extraits à l'aval; c'est le cas
d'exploitation de gravières de lits encombrés de rochers
concassables. On peut observer aussi de fortes modifications du tracé
d'un lit lorsque des travaux modifient artificiellement la structure ou
la morphologie d'une berge. D'une façon générale,
toute modification physique apportée au lit d'une rivière
par apport ou extraction de matériaux modifie les conditions d'écoulement
et les caractéristiques géométriques du lit jusqu'à
ce que le bief concerné en amont de la perturbation retrouve un
nouvel équilibre hydrodynamique.
L’hydraulique des écoulements
à surface libre établit des relations fondamentales entre
les grandeurs géométriques du lit et le débit. Ces
relations ne sont applicables que dans certains régimes, que nous
étudierons à travers leurs caractéristiques hydrauliques.
Nous définirons successivement le débit, la vitesse moyenne, l’énergie totale ou charge et la pente hydraulique.
4.3.1.1. Débit.
Le débit d’un cours
d’eau en un site est le volume d’eau qui s’écoule à travers
la section mouillée pendant une durée donnée. On désigne
le débit par la lettre Q; sa dimension est 
et ses unités sont généralement le
/s
ou le l/s.
C’est une grandeur qui varie dans le temps en fonction du régime climatique, notamment de la pluviométrie, et des processus physiques mis en jeu sur le bassin versant.
4.3.1.2. Vitesse d’écoulement.
La vitesse caractérise la dynamique de l’écoulement.
Sa dimension est 
et elle s’exprime en m/s ou en cm/s. La vitesse instantanée des
particules d’eau peut varier dans le temps et en direction, en fonction
des turbulences qui existent plus ou moins dans les écoulements
naturels.
Ces variations, de caractère parfois cyclique (pulsation du courant), sont souvent décelées par les changements de la cadence de rotation d’une hélice d’un moulinet hydrométrique; l’opérateur doit donc choisir un temps de mesure recouvrant plusieurs cycles successifs, pour obtenir une vitesse moyenne ponctuelle ou vitesse locale. Les turbulences sont, par ailleurs, nécessaires à un bon mélange des matières dissoutes lors d'un jaugeage chimique.
La vitesse locale diffère d’un point à l’autre de la section mouillée. La répartition des vitesses varie avec la forme de la section: les valeurs maximales se situent près de la surface, généralement près de la verticale de la plus grande profondeur. Les vitesses diminuent vers le fond, plus ou moins rapidement selon la rugosité du fond du lit et décroissent vers les rives, d'autant plus rapidement que la profondeur est faible.
Si l’on désigne par v la vitesse locale en un point quelconque de la section mouillée S, la vitesse moyenne U est la moyenne des vitesses dans la section. Elle est telle que:
.Débit, vitesse et
surface mouillée sont liés par l’équation fondamentale 
qui montre que la vitesse moyenne du flux varie à l’inverse de la
surface mouillée, dans un bief où le débit reste constant.
4.3.1.3. Energie totale et charge.
Le bilan énergétique total d’un liquide en mouvement résulte de la composition de plusieurs termes, représentatifs de la vitesse d’écoulement (énergie cinétique), des pressions internes (énergie de pression), de la hauteur d’eau (énergie de position ou de gravité) et d’autres forces d’inertie et de frottement, qui peuvent ou non se manifester.
Rapportée à l’unité de poids et à un niveau de référence arbitraire, l’énergie mécanique totale de la particule d’eau est appelée charge. La charge est la hauteur à laquelle devrait se trouver la particule d’eau si toute son énergie mécanique était intégralement transformée en énergie de position ou énergie potentielle. On la désigne généralement par le symbole H.
Dans la section transversale d’un écoulement rectiligne, la charge H est donnée par la formule de BERNOUILLI:
,
g - l’accélération de la pesanteur;
a - un coefficient qui tient compte de la répartition des vitesses locales dans la section.
.
h est la hauteur représentative
de l’énergie potentielle de la particule
d’eau, par rapport au niveau
de référence;
- la hauteur représentative de l’énergie cinétique
de la particule d’eau.
4.3.1.4. Perte de charge et pente hydraulique
Dans le profil longitudinal,
la ligne d’eau superficielle est construite en reportant la valeur de la
hauteur d’eau h en chaque section transversale. Si l’on ajoute à
h la hauteur cinétique 
au-dessus de la surface libre, on définit une nouvelle ligne appelée
ligne de charge, ou ligne d’énergie totale, représentant
l’énergie qui traverse la section (fig. 4.3).
Comme nous avions défini la pente superficielle J par l’angle de la ligne d’eau avec le plan horizontal, nous pouvons définir la pente de la ligne de charge i par l’angle qu’elle fait avec l’horizontale.
Il est important de bien différencier:
Fig. 4.3. Surface libre et ligne de charge (tiré de G. JACCON).
En résumé, un écoulement est caractérisé par:
.
;L’hydraulique étudie les propriétés des différents régimes d’écoulement. L’application de formules théoriques à un écoulement naturel suppose l’identification préalable de son régime à partir de ses caractéristiques.
4.3.2.1. Ecoulements laminaires et turbulents.
Cette classification se réfère à la viscosité et à la turbulence des particules. Les écoulements naturels étant presque toujours turbulents, cette classification n’a pas d’utilité pratique pour l’hydrologue.
4.3.2.2. Ecoulements permanents et non permanents.
Cette classification se réfère à la variabilité du régime dans le temps, dans une section transversale donnée.
Un écoulement est dit permanent lorsque ses caractéristiques ne changent pas en fonction du temps. Ceci signifie en particulier que:
Au contraire le régime est non permanent ou variable:
Cette classification se réfère à la modification du régime d’écoulement de l’amont vers l’aval d’un bief (variabilité dans l’espace).
Un écoulement est uniforme lorsque les caractéristiques ne changent pas d’une section à l’autre.
Autrement dit:
La formule fondamentale du régime uniforme a été établie par CHEZY en 1775. Elle s’écrit:
,
ou :
U est la vitesse moyenne;
R - le rayon hydraulique;
C - un coefficient variable, fonction du rayon hydraulique et de la
,
,
pour la vitesse moyenne;
et:
,
pour le débit;
K est l’inverse du coefficient de rugosité de MANNING.
C’est sous cette forme que la formule de STRICKLER est utilisée pour le calcul estimatif des débits maximaux qui n’ont pu être mesurés sur le terrain. Si la section transversale est stable et de forme régulière, S et R, éléments géométriques, sont parfaitement connus. La pente hydraulique peut avoir été mesurée durant la crue ou, a posteriori, par les délaissés. Seul le coefficient de rugosité n = 1/K n’est pas directement mesurable: il ne peut être que calculé à partir des jaugeages complets ou estimé par les valeurs théoriques proposées par MANNING.
Quand la pente est inconnue,
il est préférable d’associer K et 
,
et de calculer la valeur de leur produit, à partir des jaugeages
complets.
La formule de CHEZY montre qu’en régime uniforme, l’écoulement d’un débit Q ne peut se faire que sous un rayon hydraulique R donné. Le niveau d’eau correspondant est dit normal. A chaque débit correspond donc une hauteur (ou profondeur) normale hn.
Un écoulement non uniforme est varié (fig. 4.4): toutes ses caractéristiques hydrauliques se modifient d’une section à l’autre du bief, que le régime soit permanent ou non.
On dit que l’écoulement est accéléré lorsque la vitesse augmente dans le sens du courant, il est dit retardé dans le cas contraire.
Suivant la rapidité du changement, on distingue:
Fig. 4.4. Ecoulement varié (tiré de G. JACCON).
Cette classification se réfère
à la valeur du nombre de FROUDE, c’est à dire à la
quantité 
,
dont le carré est le double du rapport de la composante cinétique
à la hauteur potentielle de la charge spécifique dans une
section transversale.
On dit que l’écoulement est critique lorsque le nombre de FROUDE est égal à 1, c’est à dire lorsque l’énergie potentielle est deux fois supérieure à l’énergie cinétique.
Lorsque la part de la première augmente par rapport à la seconde, l’écoulement dans la section est fluvial (Fr < 1); lorsqu’elle diminue, l’écoulement est torrentiel (Fr > 1). On utilise aussi les termes subcritique et supercritique.
L’expression simplifiée de la charge spécifique dans une section transversale d’un écoulement permanent uniforme ou graduellement varié est:
,
qui peut s’écrire aussi:
.
Si l’on choisit un débit
Q,
il est facile de construire la courbe représentative de
H
pour ce débit en fonction de la profondeur h: chaque point
de cette courbe est obtenu en additionnant les ordonnées de la droite
d’énergie potentielle d’équation H = h et de l’hyperbole
d’énergie cinétique d’équation 
.
Lorsque la charge est supérieure
à la valeur critique 
,
l’écoulement peut se faire sous deux régimes:
, 
étant la hauteur critique, et une grande vitesse: c’est le régime
torrentiel;En pratique l’un des deux régimes s’établit spontanément en fonction de la pente hydraulique. Si la pente est forte, la vitesse d’écoulement est élevée, le régime est torrentiel ou rapide; si la pente est faible, la vitesse est réduite, le régime est fluvial ou lent. Il en est généralement ainsi pour la plupart des biefs des stations hydrométriques où l’on recherche à la fois de grandes hauteurs d’eau et des vitesses faibles afin d’améliorer la précision et la qualité des mesures.
En résumé:
La notion de contrôle hydraulique est importante pour la compréhension du fonctionnement du bief hydrométrique. Le contrôle s’exerce sous différentes formes et tout le tracé de la courbe de tarage dépend de ses propriétés.
4.3.3.1. Définition.
On dit que l’écoulement dans une section limnimétrique se trouve sous contrôle, lorsque les caractéristiques géométriques sont telles que le niveau d’eau est un indice stable du débit, ou en d’autres termes, lorsque la géométrie d’un bief restant invariable, un même débit s’écoule toujours sous la même hauteur. Cette définition suppose que le régime d’écoulement est permanent ou du moins que la variation du débit est faible.
4.3.3.2. Types de contrôle.
Il a été mis en évidence deux types d’écoulement dans lesquels le débit est analytiquement associé à la hauteur d’eau: le régime uniforme et le régime critique. Deux types de contrôle hydraulique leur correspondent: le channel-control et la section de contrôle.
Fig. 4.5. Section de contrôle instable (tiré de G. JACCON).
Fig. 4.6. Effet d' une singularité sur la ligne d' eau.
4.3.3.3. Permanence du contrôle.
Un contrôle parfait est un contrôle permanent dans l’espace et dans le temps. Une section de contrôle complet et stable présente un intérêt fondamental pour l’hydrologue qui doit la rechercher avec obstination, dans la prospection des sites de station. Les meilleurs contrôles complets existants sont les rapides, sauts et cascades des biefs rocheux, les seuils transversaux naturels constitués par des barres rocheuses résistantes, ou par les seuils artificiels (seuils déversants) quand leur structure est solide et leur ancrage au sol résistant. En l’absence de contrôle complet bien localisé, le contrôle devient partiel et la notion même de contrôle devient beaucoup plus floue: l’écoulement est alors sensible aux conditions aval et il n’est pas toujours facile de les identifier et de les localiser avec précision.
La figure 4.7 donne un exemple schématique d’un écoulement de basses eaux dans un lit mineur: elle montre que le contrôle d’une échelle peut être très différent suivant la position de celle-ci dans la section transversale.
Fig. 4.7. Localisation du contrôle hydraulique.
Les déformations géométriques du lit ont pour origine les facteurs déjà cités: mobilité naturelle des fonds et des parois, croissance périodique de la végétation, prise en glace des eaux superficielles, travaux de génie civil (ponts, radiers) ou travaux de rectification et nettoyage.
La modification des caractéristiques hydrauliques est généralement le fait de contrôles partiels, influencés par l’aval: variation temporaire du niveau due à la crue d’un affluent, à un effet de marée, à l’abaissement d’un seuil mobile. Elle peut être due aussi à une variation rapide du débit (situation temporaire de non-permanence).
L’instabilité du contrôle affecte nécessairement la relation hauteur-débit mais avec des conséquences très variables suivant:
4.3.3.4. Fonctionnement du contrôle.
Le contrôle hydraulique qui s’effectue de l’aval vers l’amont s’exerce sur la seule caractéristique longitudinale de l’écoulement: la pente hydraulique.
Si la formule de STRICKLER est applicable - bief de géométrie régulière à régime peu varié-la pente hydraulique est liée au débit par l’expression:
.
Dans cette expression K,
S
et R se rapportent à la section de l’échelle
J,
par contre, dépend à la fois de la hauteur d’eau dans la
section, c’est à dire de la hauteur normale 
et de la hauteur d’eau dans la section de contrôle 
.
Lorsque le débit augmente,
la variation de J dépend de la différence 
-
.
Trois situations sont possibles:
La figure 4.8 présente l'impact des différents types de contrôle sur la pente hydraulique.
En résumé:
Les informations nécessaires
au calcul des débits d’un cours d’eau, essentiellement hauteurs
d’eau et mesurage des débits ponctuels, sont recueillies à
une station hydrométrique dont le choix du site doit être
fait avec le souci de la qualité des mesures, compte tenu des propriétés
géométriques et hydrauliques du bief.
Sont pris en compte dans ce choix deux types de critères. Les uns concernent le mode et la facilité de la gestion de la station: accessibilité, surveillance, présence d’un observateur etc. Les autres portent sur les propriétés naturelles du site du point de vue géométrique et du régime hydraulique: adaptation aux mesures hydrométriques, stabilité du bief et du contrôle, sensibilité.
4.4.2.1. Adaptation aux mesures.
Le site choisi doit permettre l’observation de tous les niveaux d’eau et le mesurage de tous les débits, qu’ils soient très faibles ou très élevés.
Ceci implique que la totalité du débit passe dans la section de mesures (lit à chenal unique) et qu’un équipement limnimétrique puisse y être solidement installé sans risques de destruction, de submersion et d’émersion.
Fig. 4.9. Evolution d’un seuil instable au cours d’une crue.
Fig. 4.10. Evolution d’une section à berges instables.
Ceci suppose aussi que les mesures soient effectuées dans de bonnes conditions: échelle bien lisible sans risque, surface libre plate et stable (quel que soit le débit), écoulement lent pour les jaugeages au moulinet ou à fort brassage latéral pour les techniques de dilution chimique. Cette première condition de bonne adaptation de la station aux mesures apparaît évidente mais beaucoup d’hydrologues oublient très souvent d’en tenir compte: c’est la raison pour laquelle de nombreuses stations installées dans des sites inadaptés se sont avérées inexploitables, malgré d’importants investissements faits pour tenter d’assurer leur sauvegarde.
4.4.2.2. Stabilité.
La relation hauteur-débit d’une station hydrométrique doit être aussi stable que possible. Il faut pour cela choisir un bief, creusé dans un matériau résistant ou du moins de bonne cohésion et surtout rechercher, de manière systématique, les contrôles permanents et si possible complets.
Cette seconde condition impose le choix d’un bief à régime fluvial contrôlé par l’aval, ainsi qu’une localisation des seuils ou sections de contrôle avec évaluation des limites d’efficacité de chacune d’elles.
Il est toujours difficile en pratique de connaître avec précision la permanence d’un contrôle: lors d’une simple prospection de terrain, même si l’on dispose de documents topographiques précis, la stabilité du lit n’est pas facile à apprécier, surtout dans le cas de lits alluvionnaires.
Pour ces derniers, la seule procédure sûre dans ce domaine est de contrôler la géométrie du site choisi durant 6 à 12 mois par des levés périodiques du profil transversal. Mais il est bien rare que l’hydrologue dispose d’un tel délai avant de mettre en place une échelle.
4.4.2.3. Sensibilité.
La sensibilité d’une
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. Elle peut être
exprimée par le rapport 
ou mieux encore, puisque la précision relative sur le débit
importe plus que la précision absolue, par le rapport 
.
La valeur du rapport 
exprimée en % par centimètre est variable suivant le niveau
mais doit rester aussi faible que possible. Il faut ajouter qu’il n’existe
en fait pas de méthode pour définir une valeur étalon
de la sensibilité permettant de comparer les stations entre elles.
Une définition de la sensibilité a été proposée
par J.C. LAMBLE du Scottisch Development Department, Edinburg: C’est
l’augmentation de la hauteur d’eau en mm correspondant à une augmentation
de débit de 1% pour la cote à l’échelle dépassée
95% du temps en moyenne interannuelle.
La formule de STRICKLER appliquée à un bief de largeur l et de section rectangulaire s’écrit:
,
R = hm,
n dérivant cette expression, on obtient:
et :
.
Ces deux relations montrent que pour un débit donné, la sensibilité est d’autant meilleure que largeur et vitesse moyenne sont faibles et que la profondeur est importante.
La sensibilité d’une station est meilleure dans les sections étroites et profondes (marnage fort) et à régime d’écoulement lent (donc fluvial).
En résumé:
Les qualités hydrauliques d’une station hydrométrique sont par ordre de priorité:
La figure 4.13 montre que pour les cotes comprises entre A et B, la section est sensible. Pour les cotes supérieures à B la section est sensible.
Fig. 4.11. Variation du
profil en travers après une crue.
Fig. 4.12. Sensibilité d'une section de mesure limnimétrique.
Fig. 4.13. Différents types de seuil.
4.4.2.4. Sections caractéristiques.
Il est assez peu fréquent que la station hydrométrique se réduise à une seule section transversale. Des sections différentes sont généralement utilisées pour le mesurage des hauteurs et des débits. La station hydrométrique peut donc s’étendre sur un bief de plusieurs kilomètres de long. Mais la seule section de référence pour la définition de la relation hauteur-débit, est la section de l’échelle.
La figure 4.14 présente l'effet de la forme du lit de la rivière sur la sensibilité d'une station hydrométrique.
Fig. 4.14. Sections à débordement.
Une échelle est souvent composée d’éléments métriques séparés ou regroupés en tronçons de longueur variable. Ces éléments doivent être alignés dans la section de l’échelle: lorsque cela n’est pas possible pour des raisons techniques, on doit prendre soin d’éviter toute discontinuité dans les lectures en assurant un calage altimétrique entre les éléments prenant en compte la pente superficielle.
Dans les cours d’eau à niveau rapidement variable l’enregistrement continu des hauteurs est effectué par un limnigraphe, dont la prise de niveau doit être placée dans la section de l’échelle.
D’une manière générale, dans une même station hydrométrique, il faut éviter au maximum de multiplier le nombre des sections de mesure du niveau.
Ce cas, presque idéal, où le contrôle est complet et parfaitement défini n’est malheureusement pas le plus fréquent. Très souvent la section de contrôle est imprécise, fuit vers l’aval lorsque le niveau d’eau augmente et se stabilise à une singularité du lit (coude, pont), ou se perd dans un channel-control.
Une section de hautes eaux est choisie dans un bief à pente faible pour limiter la violence du courant. Elle peut être équipée d’un câble gradué, d’un transporteur aérien ou d’un balisage pour repérage des distances au cercle hydrographique. Il n’y a pas d’inconvénient à placer cette station loin de la section de l’échelle si le débit reste inchangé.
Pour les basses eaux au contraire, on se heurte à une insuffisance soit des profondeurs (seuils), soit des vitesses (mouilles). De plus les jaugeages doivent être faits aussi près que possible de la section de l’échelle en raison de la rapide variation des faibles débits (échanges avec la nappe phréatique, percolation). Il en résulte que, très souvent, le mesurage des débits d’étiage est beaucoup plus difficile à réaliser que celui des débits de moyennes et hautes eaux. L’utilisation d’un seuil jaugeur étalonné peut apporter une solution lorsque le débit est inférieur à 500 l/s.
L’utilisation des méthodes de jaugeage par dilution chimique n’entraîne pas le choix d’une section de jaugeage mais au contraire celui d’un bief long de plusieurs hectomètres ou kilomètres suivant le débit et le brassage des eaux.
En résumé, trois types de sections caractéristiques sont définies dans un bief hydrométrique (Q constant tout au long du bief):
4.4.2.5. Sections de contrôle artificiel.
Nous venons de voir les critères qui président au choix de sites de stations hydrométriques répondant du mieux possible aux exigences des mesures hydrométriques et à la stabilité de la relation hauteur-débit définie à la dite station. Malgré tout le soin apporté à ce choix, on est parfois amené, en particulier dans le cas de petits cours d’eau aux lits étroits, instables, encombrés de blocs et à faible tirant d’eau, à aménager la section avec un déversoir, ou plus commodément, on profite des "vestiges" d’un ancien seuil pour installer la station. Dans ce dernier cas, il ne sera pas possible d’utiliser une formule hydraulique pour la détermination des débits, mais le seuil existant moyennant éventuellement quelques travaux, assurera une très bonne stabilité de la relation H/Q.
Il faut être conscient que la construction d’un tel ouvrage est toujours très onéreuse, ce coût pouvant être plus ou moins compensé par la suppression éventuelle ou à tout le moins la réduction sensible du nombre de jaugeages nécessaires au tarage de la station.
Un dimensionnement judicieux permettra d’obtenir une sensibilité variable dans l’ensemble de la gamme des débits à contrôler.
Quel que soit le type de contrôle artificiel, celui-ci doit comprendre le seuil de contrôle proprement dit, l’ouvrage créant les conditions amont et l’ouvrage imposant les conditions aval de l’écoulement.
L’exploitation des stations à déversoirs se heurte à diverses difficultés telles que:
L’échelle limnimétrique constitue encore aujourd’hui le limnimètre de référence. Elle est presque toujours associée à un autre capteur limnimétrique.
Les capteurs usuels sont classés en deux grandes catégories:
Les caractéristiques les plus connues des capteurs limnimétriques sont:
L’échelle limnimétrique est constituée d'éléments métriques, généralement faits de tôle émaillée, gradués tous les centimètres. L'échelle reste encore aujourd’hui l’instrument de base pour la mesure des niveaux d’eau dans les cours d’eau.
Une station limnimétrique, ou hydrométrique, existe de fait à partir de l’instant où au moins un élément métrique est mis en place. Cet élément détermine la position exacte de la section de l’échelle dans le bief hydrométrique et le calage en altitude des hauteurs mesurées. Ce calage en altitude est très important puisque toute modification entraîne une modification de la relation hauteur-débit (détarage de la station). Il faut toujours repérer la calage de l’échelle en altitude par un repère de nivellement situé hors de la zone d’inondation.
Au moment de l’installation, on s’efforcera de respecter les règles suivantes:
La lecture d'une échelle
limnimétrique (fig. 4.15 et fig. 4.16) doit se faire généralement
au demi centimètre prés. Il est recommandé d'utiliser
le système de notation en cm suivant qui à l'expérience
présente le moindre risque d'erreurs pour le lecteur: 0425
pour 42,5 cm ou 524 pour 5,24 m ou 4035 pour 4,035 m.
Fig. 4.15. Batteries d' échelles limnimétriques.
Fig. 4.16. Éléments d' échelles limnimétriques (tiré de G. JACCON).
Deux systèmes sont utilisés:
Le principe de l'appareillage est illustré sur la figure. Un flotteur installé dans une buse ou une tour bétonnée repose sur un plan d'eau en relation avec la rivière. Les mouvements de translation verticale du flotteur sont traduits en mouvements de rotation d'une poulie qui entraîne le déplacement d'un curseur sur un tambour rotatif ou sur une table déroulante.
La figure 4.18 présente différents types de limnigraphes à flotteur.
Fig. 4.17. Limnigraphe
envasé.
Fig. 4.18. Types de limnigraphes
à flotteur.
Ce système est d'une grande simplicité; rustique, il présente une grande robustesse. Cependant, il nécessite cependant un génie civil souvent très important. Son emploi est difficile dans les cours d’eau à forte charge solide en raison de l'ensablement du puits du flotteur ou de la prise d'eau en rivière.
La sensibilité d'un tel dispositif dépend du type d'appareillage et du bon entretien de la conduite d'amenée d'eau vers le flotteur.
La précision est liée aux caractéristiques du couple poulie-enregistreur graphique et aux diamètres respectifs du flotteur et de la poulie; la précision théorique donnée par le constructeur peut descendre au mm dans les meilleures conditions, en pratique on ne peut guère espérer mieux que 5 mm.
Quelques précautions élémentaires doivent accompagner l'exploitation d'un limnigraphe à flotteur.
Le limnigramme enregistré doit permettre de déterminer la côte du plan d'eau sur le diagramme à tout instant. Ainsi, à chaque passage, l'agent devra porter la cote du plan d'eau, la date et l'heure exacte sur le diagramme.
Dans le cas particulier d'une rivière temporaire présentant seulement des écoulements entre deux passage, une incertitude peut demeurer selon la façon dont le flotteur repose sur le fond. Il est conseillé dans ce cas de mettre en place un serre câble du coté du contrepoids venant en butée avant que le flotteur repose sur le fond. Ainsi à chaque posée ou décollage du flotteur correspondra une cote bien identifiée.
Il est important qu'à chaque changement de diagramme le technicien ou l'observateur chargé de l'opération note soigneusement la cote du plan d'eau sur les diagrammes (l'ancien et le nouveau) avec la date et l'heure exacte (de la dépose de l'ancien puis de la pose du nouveau diagramme). Aucun calcul ne doit être fait sur le terrain; le technicien devra s'efforcer de noter ce qu'il voit, ce qu'il lit, ou ce qu'il constate avec détail.
Il lui faudra noter toute observation utile:
Le parc de limnigraphes est en très forte régression depuis le début des années 1980, on trouve encore ce type d’appareil installé en double avec des centrales électroniques pour avoir une vérité papier. Dans certains cas, ces limnigraphes ont été équipés avec des codeurs numériques.
4.5.3.2. Les palpeurs.
L'auscultation continue ou périodique du niveau de l’eau est assurée par un système constitué d’un circuit électrique qui se ferme par contact avec le plan d’eau.
4.5.3.3. Les ultrasons.
La distance entre un émetteur-récepteur d’ondes ultrasoniques (fréquence supérieure à 15 kHz) et le plan d’eau est déduite du temps de parcours de ces ondes. Si c est la vitesse de propagation des ondes et t le temps nécessaire pour l’aller et le retour d’une onde perpendiculaire au plan d’eau, alors h = c× t/2, avec h = distance de l’émetteur à la surface du plan d’eau.
L’émetteur d’ultrasons (appelé transducteur ou céramique) possède la propriété de convertir des impulsions d’énergie électrique en ondes acoustiques et réciproquement. Il est associé à un circuit électronique qui engendre l’énergie électrique à haute fréquence, la transmet et mesure le temps qui s’est écoulé entre l’envoi et le retour du signal.
Le tableau 4.2 présente quelques données relatives à la propagation des ultrasons dans l'air et dans l'eau.
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| Fréquences
utilisées
Vitesse de propagation Amortissement Résolution Distance minimale Vitesse de poursuite |
20
kHz à 100 kHz
330 m/s à 0°C 10-3 dB/cm > 5 mm quelques dizaines de cm plusieurs m par seconde |
100
kHz à 1 Mhz
1400 m/s à 0°C 10-6 dB/cm < 1 mm quelques cm plusieurs m/s |
Le mesurage du temps est très précis grâce à une horloge à quartz.
c est une grandeur variable avec la température (c augmente de 0.28% par degré, soit 4 m/s environ dans l’eau) et avec certains facteurs sensibles comme la teneur en sels dissous ou la présence de bulles d’air pour l’eau, le vent et l’humidité pour l’air.
La face émettrice du transducteur doit être rigoureusement parallèle au plan d’eau et à une distance suffisante (distance minimale appelée aussi zone d’ombre).
Les facteurs d’influence sont très difficiles a prendre en compte en dehors de la température; les corrections effectuées portent sur l’élimination des valeurs aberrantes, le lissage sur une période de temps et des calages périodiques au moyen d’un capteur d’un autre type.
La technique des ultrasons immergés est maintenant parfaitement opérationnelle et précise, surtout dans les écoulements laminaires. Les capteurs aériens sont moins précis mais présentent un grand intérêt pour les écoulements très chargés (torrents, égouts).
4.5.3.4. Ondes lumineuses.
Le principe est le même, mais la vitesse de propagation des ondes lumineuses est de 300 000 km/s. D’où la nécessité de travailler pendant un intervalle de temps Dt suffisant.
Une étude assez récente
du CEMAGREF a montré que cette technique est utilisable (distancemètres
à rayons laser ou infrarouges) mais le coût de tels appareils
sera environ le double de celui des autres capteurs.
Deux principes fondamentaux sont utilisés:
Un débit constant de gaz (air comprimé ou azote) circule dans une canalisation débouchant dans la rivière par une prise de pression ouverte.
La source de gaz est soit une bouteille de gaz comprimé (dans les anciens appareils) soit un compresseur alimenté par batteries et panneau solaire dans les dispositifs nouvelle génération. Le débit d’air est réglé à environ deux bulles par secondes grâce à un visualisateur. La pression de fonctionnement est réglée à environ 2 ou 3 bars en fonction de la plage de mesure et de la longueur de la canalisation.
Les variations de la pression dues à la montée de l’eau sont mesurées par un transducteur qui peut être:
Ses inconvénients sont une alimentation en gaz (même si avec les nouveaux appareils avec compresseur intégré cet inconvénient est réduit), une maintenance lourde, une technique assez complexe, un retard sensible dans la poursuite, surtout si le débit d’air est faible, et une forte sensibilité à certains phénomènes de surpression ou de succion au niveau de la prise de pression dans les écoulements turbulents. Il est sensible aux dépôts sur la prise de pression et à la condensation d’humidité dans la canalisation (risques fortement réduits avec les nouveaux appareils à purge automatique.
Fig. 4.19. Schéma de principe du limnimètre bulle à bulle.
Fig. 4.20. Schéma de principe du limnigraphe TELIMNIP Neyrpic.
4.5.4.2. Les capteurs de mesure directe de pression
Principe: Les capteurs de pression sont basés sur le principe de la transformation en grandeur électrique de la déformation mécanique d’une membrane élastique. Les technologies mises en œuvre pour effectuer cette transformation sont les suivantes:
Inconvénients: Existence d’une hystérésis liée à la membrane qui entraîne une non linéarité de la réponse (doit être aussi faible que possible), dysfonctionnements liés à des problèmes de condensation dans la conduite de mise à l’air libre du transducteur (surtout si cette conduite est un capillaire), compensation de température indispensable et adaptée à chaque transducteur.
Trop souvent négligé voire oublié, le dossier technique doit normalement être ouvert dès la mise en place de la première échelle limnimétrique, et rassembler toutes les informations se rapportant au fonctionnement de la station durant toute sa période d’observation.
Chaque service élaborera son propre format de fichiers, pourvu qu’ils contiennent les informations essentielles, la liste ci-dessus n’étant d’ailleurs pas exhaustive.
Ne pas oublier que le dossier de station est un document indispensable et le premier a être consulté pour l’élaboration de la courbe de tarage.
Une chaîne d'acquisition de données limnimétriques s'organise schématiquement de la façon suivante:
