5

MESURE DE DEBITS

5.1. DEFINITIONS

Le débit liquide Q d'un cours d'eau, volume d'eau qui s'écoule en une seconde dans une section transversale, est le produit:

Q = L ×Hm ×U.

Les unités utilisées le plus couramment sont:

Les méthodes de jaugeage des débits des rivières sont nombreuses et variées. La classification présentée ci-après ne tient pas compte de leur fréquence d'utilisation. Certaines d'entre elles sont très peu utilisées, d'autres le sont très souvent. Il faut savoir que plus de 80% des jaugeages sont réalisés aujourd'hui avec un moulinet hydrométrique, les distances à la berge étant mesurées sur un câble tendu d'une rive à l'autre.

On distinguera:


5.2. METHODE VOLUMETRIQUE

Cette méthode très simple consiste à recueillir dans un récipient un volume d’eau pendant un temps donné.

Elle est applicable aux petits débits de quelques litres ou dizaines de litres par seconde à quelques m3/s si l'on utilise des partiteurs de débit.
 


5.3. SEUILS - JAUGEURS

La méthode consiste à implanter dans l'écoulement une section de contrôle artificielle, permettant d'obtenir un régime critique, c’est à dire une relation univoque entre le débit Q et la charge h (hauteur d'eau au-dessus du seuil) de la forme:

.

avec: K - coefficient de débit lié à h; C et n - paramètres dépendant des caractéristiques du seuil.

Les principaux seuils utilisés sont les déversoirs en mince paroi ou de type épais, les canaux VENTURI (contraction latérale et seuil épais) et PARSHALL (contraction latérale, seuil épais et rupture de pente).

La société française HYDROLOGIC (Grenoble) propose des efflumètres qui sont des seuils-jaugeurs, des canaux VENTURI et des déversoirs triangulaires, préfabriqués en plastique stratifié moulé; la gamme des débits va de quelques litres à plus de 500 l/s avec une précision supérieure à 3%.

Ces seuils peuvent être installés de manière permanente, en prenant soin de disposer de solides ancrages, ou temporaire pour faire un jaugeage. Dans le premier cas, il est indispensable de contrôler la validité de la relation H/Q théorique (valeurs de C et n) par des jaugeages au moulinet ou par dilution chimique. Dans le second cas, il faut prendre beaucoup de soins pour installer le seuil en position rigoureusement horizontale et attendre un temps suffisant pour que le régime d'écoulement soit stabilisé.

La méthode des seuils-jaugeurs portables est très utilisée dans les campagnes d'étiage portant sur des débits inférieurs à 100 l/s pour lesquels les autres techniques de jaugeages sont difficilement utilisables.

5.3.1. DÉVERSOIRS TRIANGULAIRES EN MINCE PAROI

Dans la gamme des conditions pour lesquelles les données expérimentales disponibles sont valables, le déversoir triangulaire en mince paroi est un dispositif très précis pour les mesures de débits (fig. 5.1).

Il doit être formé d’une échancrure en V symétrique, située dans une mince paroi verticale. La bissectrice de l’angle de l’échancrure doit être verticale et équidistante des cotés du canal d’approche. La paroi du déversoir doit être lisse et plane, surtout sur la face amont et elle doit être perpendiculaire aux parois et au fond du canal.

Fig. 5.1. Déversoir triangulaire en mince paroi (tiré de G. REMENIERAS).

tg,

où:

Q est le débit (m3/s);

- le coefficient de débit f (a , h/p, p/B);

g - l’accélération de la pesanteur (m/s²);

a - l’angle formé par les parois de l’échancrure;

- la charge piézométrique fictive ou hauteur de la surface liquide

amont par rapport au point bas de l’échancrure (m).
Trois dimensions de déversoirs triangulaires sont recommandées par l’Organisation Internationale de Normalisation: Si le lit et les parois du canal d’approche sont éloignés de l’échancrure on peut se servir des formules suivantes: 0.58 << 0.61. En plus des conditions générales d’installation, les restrictions d’ordre pratique suivantes doivent être respectées:
0.05 m < h < 0.40 m h: charge

p > 0.45 m p: pelle amont

B > 1.2 m B: largeur du canal

h/B < 0.20


Une formule plus récente applicable à des déversoirs triangulaires d’angle au sommet a = 90° tient compte du terme  en amont et peut-être utilisée pour des valeurs de pelle faibles:

.

Les conditions d’expérimentation ont été:

0.05 m < h < 0.15 m;

p < 0.40 m;

B = 0.30 m.


5.3.2. DEVERSOIRS RECTANGULAIRES EN MINCE PAROI

Le déversoir normalisé est composé d’une échancrure rectangulaire, symétrique dans une mince paroi verticale. Toute la paroi doit être lisse et unie, surtout sur la partie amont. Elle doit être perpendiculaire aux parois et au fond du canal.

La crête du déversoir doit être une surface plane horizontale, perpendiculaire avec la face amont de la paroi du déversoir. L’intersection de ces deux surfaces doit être rectiligne et à arête vive. La largeur de la surface de la crête (mesurée perpendiculairement à la face de la paroi) doit être égale à 2 mm.

Les figures 5.2 donnent les schémas d’un déversoir rectangulaire en mince paroi.

Fig. 5.2. Déversoir rectangulaire en mince paroi avec contraction latérale (tiré de G. REMENIERAS).

Le déversoir est dit avec contraction latérale lorsqu’une échancrure est pratiquée dans la paroi mince; le déversoir est dit sans contraction latérale lorsque la longueur de la lame déversante est égale à la largeur du canal.

La formule la plus générale du débit recommandée par l’Organisation Internationale de Normalisation pour un déversoir rectangulaire en mince paroi (fig. 5.3) est la formule de Kindsvater-Carter:

,

où:

Q est le débit (/s);

- le coefficient de débit;

g - l’accélération de la pesanteur (m/);

- la largeur fictive de l’échancrure (m);

- la charge piézométrique fictive ou hauteur de la surface liquide

en amont par rapport au niveau de la crête (m).
avec:
= b + si b est la largeur du déversoir;

= h + si h est la charge mesurée.

En pratique = h + 0.001 m.

Dans le cas du déversoir rectangulaire à mince paroi sans contraction latérale:

= 0.602 + 0.075 h/p,

p est la hauteur de la crête du déversoir mesurée à partir du fond du canal (ou pelle).

Dans le cas des déversoirs à contraction latérale:

.

Les valeurs de  et de  sont données sur les figures en fonction du rapport b/B de contraction entre la largeur b de l’échancrure et la largeur B du canal amont.

D’autres formules sont possibles pour les déversoirs rectangulaires en mince paroi sans contraction latérale: la formule de REHBOCK; la formule SIA (Société suisse des Ingénieurs et Architectes); la formule de CASTEX NOUGARO (Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse). On se reportera avec intérêt à l’ouvrage de M. AUDINET: Hydrométrie appliquée aux cours d’eau pour les conditions d’utilisation de ces formules.


 
 

5.3.3. CHOIX DU TYPE DE DÉVERSOIR EN MINCE PAROI

Les déversoirs triangulaires sont utilisés de préférence aux déversoirs rectangulaires pour la mesure des faibles débits, car il est déconseillé d’utiliser des déversoirs rectangulaires de moins de 30 cm de largeur.

Pour les déversoirs rectangulaires (fig. 5.4), le choix de la largeur et de la pelle est fonction de la gamme des débits à mesurer, de la hauteur disponible et de la précision souhaitée. Il ne faut pas oublier que la lame d’eau mesurée doit être au plus égale à la hauteur de la pelle. Le tableau 5.1 donne quelques limites raisonnables d’utilisation des divers déversoirs.
 
 

Fig. 5.4. Déversoir rectangulaire en mince paroi (tiré de G. REMENIERAS).

 
Tableau 5.1 : Limites d'utilisation des différents types de déversoirs à mince paroi

 
 Gamme de débits à mesurer
Type de déversoir à utiliser
Lame d’eau correspondante
Observations
Mini
Maxi
 
Mini
Maxi
 
0.2 l/s
35 l:s
triangulaire type ¼ tg a /2 = 1/4 5 cm 40 cm La pelle doit avoir si
0.4 l/s
70 l/s
triangulaire type 1/2 tg a /2 = 1/2 5 cm 40 cm possible plus de 0.45 m,

donc le canal doit avoir

1 à 20 l/s
70 > Q < 140 l/s
triangulaire type 90° tg a /2 = 1 5 cm pour 1 l/s 40 cm pour 140 l/s plus de 0.85 m de

hauteur

> 20 l/s
200 l/s
Rectangulaire de 0.30 m de largeur 10 cm 40 cm pelle > 40 cm
50 l/s
500 l/s
Rectangulaire de 1 m de largeur 10 cm 40 cm hauteur canal > 80 cm
100 l/s
1000 l/s
Rectangulaire de 1 à 2 m de largeur 15 à 10 cm 65 à 45 cm  hauteur canal > 1.30 m

hauteur canal > 90 cm

500 l/s
5 000 l/s
Rectangulaire de 5 à 10 m de largeur 15 à 10 cm  65 à 40 cm hauteur canal > 1.30 m

hauteur canal > 90 cm

Tiré de M. AUDINET


En pratique l’emploi des déversoirs en mince paroi pour le contrôle permanent des débits est délicat: la courbe de tarage  est en effet influencée de façon appréciable par les variations de la pelle, et il est difficile, en raison de l’ensablement, de maintenir constante la hauteur de pelle.
 


5.3.4. DÉVERSOIRS À SEUILS ÉPAIS (fig. 5.5 – fig. 5.9)

Les courbes de tarage des stations à seuils épais sont généralement moins sensibles à l’envasement et aux conditions amont que celles des déversoirs en minces parois.

arête amont arrondie.

Fig. 5.8. Déversoir à seuil épais trapézoïdal.

Fig. 5.9. Déversoir à seuil épais triangulaire (tiré de G. REMENIERAS).

La formule fondamentale pour calculer les débits des déversoirs à seuils épais est:

,

où:
 

m est un coefficient qui varie en fonction des caractéristiques du seuil. Le tableau 5.2 donne quelques valeurs approximatives de ce coefficient.

l - la largeur du seuil.

H = h + - la charge, considérée souvent en pratique comme la hauteur d’eau h en amont du déversoir par rapport au seuil, lorsque la vitesse d’approche  est négligeable.

Tableau 5.2 : Valeurs du coefficient m

 
S
mètre
0.10 m
0.50 m
1 m
1.50 m
3 m
5 m
0.10
0.38
0.35
0.33
0.33
0.34
0.35
0.50
0.45
0.40
0.35
0.35
0.35
0.35
1.00
0.45
0.45
0.40
0.36
0.35
0.35
1.50
0.45
0.45
0.43
0.39
0.36
0.35

Lorsque l’arête amont n’est pas arrondie ou chanfreinée mais rectangulaire, les valeurs de m doivent être minorées de près de 10%.

On distingue plusieurs types de déversoirs à seuils épais, et en particulier:

Pour tous ces types de seuils, on se reportera avec intérêt à l’ouvrage de M. AUDINET (op. cit.) pour les conditions d’utilisation et formules de calcul des débits.
 


5.3.5. AUTRES DISPOSITIFS

Nous citerons:

La formule générale d’un jaugeur (fig. 5.10) à ressaut dénoyé est de la forme:

,

où: est le débit;

- un coefficient variant de 0.95 à 1.00 suivant les jaugeurs;

- un coefficient fonction des largeurs  et ;

- largeur de la partie rétrécie;

Fig. 5.10. Jaugeur à ressaut: schéma de principe (tiré de G. REMENIERAS)

- largeur de la partie large en amont;

- accélération de la pesanteur;

- cote du plan d’eau au dessus des radiers en amont dans la partie de largeur .
Les canaux calibrés type H ou H. Flume se composent d’un canal de section rectangulaire se terminant par un étranglement dont les parois latérales sont verticales. Le fond du canal se termine en trapèze isocèle dont la petite base est tournée vers l’aval, et les parois latérales ont la forme d’un trapèze rectangle; la forme de l’échancrure est un trapèze isocèle incliné par rapport à l’horizontale.

Ce type de canaux jaugeurs, tout en étant moins fragile que les déversoirs triangulaires est mieux adapté aux mesures en eaux chargées, car moins sujet à l’engravement.
 


5.4. DILUTION CHIMIQUE

Le principe de base consiste à apprécier le facteur de dilution d'un traceur injecté en amont dans le cours d'eau, à une distance suffisante pour que sa concentration soit homogénéisé au point de prélèvement.

La méthode de dilution chimique est applicable dans les rivières à écoulement turbulent où un mélange rapide et homogène peut-être obtenu. La méthode est pratiquée dans les régions de montagne pour les faibles et moyens débits. Il ne doit pas se produire de perte de traceur ou d'eau entre les points d'injection et d'échantillonnage.

Deux méthodes d'injection sont utilisées la méthode à débit constant et la méthode par intégration ou par injection instantanée. Le bichromate de sodium est la substance la plus couramment utilisée.
 

5.4.1. LA MÉTHODE À DÉBIT CONSTANT

Le traceur est injecté sous une concentration C à un débit q, pendant un temps suffisamment long pour que les prélèvements effectués à une distance suffisamment importante à l'aval atteignent un palier de concentration c.

Le débit de la rivière est alors exprimé par Q = q .C/c.
 

5.4.2. LA MÉTHODE PAR INTÉGRATION

Un volume V d'une solution traceur, de concentration C, est injecté globalement dans l'écoulement. La section de prélèvement est située suffisamment à l'aval pour que le mélange soit correctement réalisé.

On mesure la concentration des prélèvements effectués en un point quelconque de la rivière pendant toute la durée du passage du nuage salin.

Si  est le temps de passage du traceur, c la concentration moyenne du nuage salin, et M la masse de produit injecté on a:

M = V · C = Q · c · .

Ainsi, la formule donnant le débit s'écrit: Q = (V · C)/(c ·) .
 


5.5. MÉTHODE ÉLECTROMAGNÉTIQUE

Cette méthode est basée sur le principe de FARADAY sur l'induction électromagnétique: tout conducteur en mouvement dans un champ magnétique est traversé par un courant électrique. Le sens du courant induit dépend du sens de déplacement du conducteur et son intensité est proportionnelle à la vitesse de déplacement et à l'intensité du flux magnétique.

En appliquant ce principe à un bief hydrométrique, la loi de FARADAY s'écrit:

U = E / HI’

avec:

U - vitesse moyenne d'écoulement dans la section (en m/s);

E - énergie induite (en volts);

H - intensité du champ magnétique (en Teslas);

I - largeur ou distance entre les électrodes (en m).


Ce sont les hydrologues anglais M.J. GREEN et R.W. HERSHY qui en 1974 ont eu l'idée d'appliquer le principe de FARADAY aux écoulements très lents et aux biefs envahis par la végétation dans lesquels les méthodes classiques sont inutilisables.

Une dizaine de stations sont aujourd'hui équipées en Grande Bretagne. La figure 5.11 montre le dispositif: une bobine d'induction est placée sous l'écoulement pour renforcer le champ magnétique et deux électrodes, une sur chaque rive, mesurent la différence de potentiel. Ce système permet un suivi en continu de la vitesse d'écoulement.

Cette méthode est peu utilisée essentiellement en raison des travaux qu'elle implique et de la précision relativement médiocre (10%). Son plus grand intérêt est d'avoir entraîné l'apparition sur le marché de moulinets électromagnétiques, précis, sensibles, robustes et indicateurs du sens de l'écoulement (modèle SENSA fabriqué par la firme anglaise AQUA DATA SYSTEM, coût de l'ordre de 30 000 F).
 
 

Légende:

1. bobine d’induction (solénoïde);
2. voltmètres (mesure du courant induit);
3. sondes pour la mesure de la résistivité du sol;
4. conductivimètre (résistivité de l’eau);
5. sondes électriques antibruit;
6. câble principal vers les enregistreurs.


Fig. 5.11. Équipement d'un bief pour des jaugeages par la méthode électromagnétique (tiré de HYDROMETRY par Hersby).
 

5.6. ULTRASONS

Le principe est basé sur la modification apportée à la vitesse de propagation de l'onde ultrasonore (fréquence > 15 kHz) par le courant. Pour cela, on envoie avec un transducteur des impulsions acoustiques dans une direction oblique par rapport à l'écoulement de vitesse V (fig. 5.12).

Les transducteurs SW1 et SW2 sont placés de chaque coté de la rivière, à une distance L l'un de l'autre, à une même profondeur et de telle manière que la ligne qui les joint fasse un angle  de 30° à 60° avec la direction du courant.

La méthode la plus utilisée pour les rivières est celle de la mesure du temps de parcours. Elle s'exprime par les formules suivantes:

= composante transversale de la vitesse de l'eau = V cos;

soit en éliminant C entre les deux équations:

.

Il n'est donc pas nécessaire de connaître la valeur de C qui, rappelons-le, varie avec de nombreux facteurs (pression, température, salinité, charge solide, bulles d'air, ...).


 
 

Fig. 5.12. Courantomètre à ultrasons - Principe.

L et  sont connus. La mesure ne porte donc que sur  et . La vitesse V mesurée est la vitesse moyenne en ligne. On peut la mesurer à plusieurs profondeurs différentes, mais dans tout les cas il faut déterminer par des jaugeages complets le coefficient de correction  pour obtenir U.

Ces matériels sont disponibles sur le marché (Sociétés ATLAS KRUPP en Allemagne, ULTRA FLUX en France).


Par contre, elle n'est pas utilisable dans les zones où la propagation des ondes est perturbée (végétation, ondes parasites,...). Il faut disposer d'une source d'énergie à proximité de la section et le bief de mesurage doit être rectiligne et à écoulement pseudo-uniforme.
 


5.7. JAUGEAGES AU MOULINET

5.7.1. LES DISPOSITIFS UTILISES POUR LA MESURE DES VITESSES

Nous ne traiterons ici que des dispositifs de mesure directe de la vitesse à l'aide des moulinets. Les appareils de mesure indirecte: tube de Pitot, sondes à fil chaud, pendule hydraulique,... sont soit obsolètes, soit réservés aux mesures en laboratoire et sortent donc du cadre de ce cours.

5.7.1.1. Les moulinets

Le moulinet hydrométrique est un appareil muni d'un rotor dont la vitesse de rotation est fonction de la vitesse locale du fluide dans lequel il est immergé.Il existe deux types de moulinets: à coupelle ou à axe vertical et à hélice ou à axe horizontal. Nous ne parlerons que du deuxième type qui est, actuellement, l'appareil le plus utilisé dans le monde. La figure 5.13 présente le schéma de fonctionnement du moulinet à axe horizontal et signalisation électrique.

Fig. 5.13. Schéma de fonctionnement d' un moulinet à axe horizontal (tiré de G. JACCON).

Une hélice est caractérisée par son diamètre et son pas. Les diamètres les plus courants sont 125 et 100 mm, on peut descendre à 30 mm pour les hélices de micro-moulinets. On distingue le pas nominal, caractéristique donnée par le constructeur et le pas réel, déterminé par étalonnage après usinage de l'hélice.
Les pas nominaux usuels sont: 0,05; 0,10; 0,125; 0,250; 0,500; 1,00 mètre.

Le choix du pas de l'hélice pour exécuter une mesure sera déterminé en fonction de la vitesse du courant. Pour une vitesse moyenne d'écoulement donnée, on préférera une hélice à pas faible, qui aura donc une plus grande sensibilité, mais qui générera un grand nombre d'impulsions sur le compteur. Ceci n'est plus, actuellement, un inconvénient avec les compteurs d'impulsions électroniques, et la même hélice couvre une gamme plus étendue de vitesses.

(1) Les hélices normales. Ces hélices mesurent correctement la vitesse d'écoulement des filets liquides tant que leur trajectoire reste parallèle à l'axe du moulinet ou dans un angle < 5° à celui-ci.

(2) Les hélices auto-composantes. Dans le cas d'écoulements obliques par rapport à la section de mesure, il s'agit de détecter non les valeurs absolues des vitesses locales v, mais les valeurs de leurs composantes  dans la direction perpendiculaire à la section.

= v ? cos,

étant l'angle que fait le vecteur vitesse v avec la perpendiculaire à la section de mesure. C'est la loi des cosinus.

La société OTT a été la première à mettre au point des hélices (types A et R) dont les caractéristiques suivent la loi des cosinus dans des limites plus étendues que les hélices à arêtes biaises de construction normale (fig. 5.14).

Les angles d'incidence maximaux sont de:

Fig. 5.14. Limites d'utilisation des différentes hélices (d'après OTT).

L'angle d'incidence ou l'angle de la direction du vecteur vitesse avec l'axe du moulinet doit rester dans certaines limites qui sont préconisées par le constructeur.

Le matériel dans son ensemble et les moulinets en particulier sont des instruments de précision. Ils doivent donc être manipulés avec soins aussi bien au cours du transport que lors des mesures. Un matériel en bon état est le gage de résultats corrects, si bien sûr les mesures sont effectuées dans de bonnes conditions. Ceci implique également qu'avant chaque tournée de mesures, soient vérifiés l'état des batteries des compteurs d'impulsions, l'état des câbles (électroporteur et d'abscisses), le graissage des treuils, que l'huile du moulinet (s'il en contient) soit changée etc.

5.7.1.2. Les supports de moulinet.

Le moulinet, son hélice et le compteur d'impulsions constituent la base de l'équipement de jaugeage. Pour placer le moulinet dans l'écoulement, au point désiré, on utilise un support dont le choix, parmi les nombreux modèles existants, dépend des caractéristiques de la section et de l'écoulement (dimensions de la rivière, présence de pont, valeur des vitesses, et du tirant d'eau à mesurer etc.).

En fonction de ces conditions, l'hydrométriste aura le choix entre le montage du moulinet sur perche (montage rigide) et le montage sur saumon de lestage (montage souple).

Dans le 1er cas, les perches utilisées ont généralement un diamètre de 20 mm, le moulinet étant soit fixé directement, soit mobile grâce à un coulisseau.

Quand le tirant d'eau et la vitesse deviennent trop importants ( > 1m et > 1m/s), et si la section est équipée d'une passerelle, il est possible de monter le moulinet sur perche suspendue manœuvrée à partir d'un support appelé couramment pied de perche ou à l'aide d'un chariot muni d'un treuil. Dans cette configuration, on utilisera de préférence une perche ovoïde plus rigide que la perche cylindrique.

Il existe deux types principaux de saumons: Les saumons de l'un et l'autre type sont généralement équipés d'un dispositif détecteur de fond.

Selon le type de saumon utilisé, le moulinet se trouve placé plus ou moins haut par rapport à la semelle du détecteur de fond. Il importe de connaître avec précision cette distance appelée constante du saumon, pour corriger les profondeurs en conséquence.

5.7.1.3. Déplacements du support de moulinet.

Ces déplacements se font selon l'axe vertical (profondeurs) et l'axe horizontal (distances).

Il existe trois catégories de treuils: simples, doubles et spéciaux. Les premiers sont utilisés pour montage sur porte-à-faux, cyclopotence ou éventuellement sur perche; les seconds uniquement pour la manœuvre des stations téléphériques; les treuils spéciaux actionnant certains types particuliers de cyclopotences.

Les différents constructeurs ont prévu pour chaque type de treuil des ralentisseurs de descente qui permettent l'exécution de jaugeages par intégration.

(1) Mesures à partir d'un pont. Le dispositif de mesure est déplacé avec un porte-à-faux monté sur chariot, sur véhicule spécialement équipé, ou avec une cyclopotence. Cette dernière sera soit à commande manuelle, soit électrifiée.

La lecture des distances sera faite sur un double décamètre tendu sur le pont, ou sur des positions repères prédéfinies (en particulier dans le cas des jaugeages en continu).

(2) Mesures à partir d'une embarcation. Dans le cas où un pont ne se trouve pas à proximité immédiate de la station de mesure, ou que son architecture ne permet pas la réalisation de jaugeages dans des conditions satisfaisantes, on utilisera un bateau pour les mesures en écoulement à vitesses faibles à moyennes, une traille téléphérique pour les écoulements plus violents.

Pour les jaugeages en rivières classiques, l'embarcation idéale est certainement le ZODIAC Mark II équipé avec un porte-à-faux léger sur lequel est monté le treuil de manœuvre du saumon (généralement 25 kg). La fixation du bateau au câble définissant la section est réalisée à l'aide d'un chariot largable muni d'un compteur pour la mesure de la largeur et le repérage des verticales.

Les mesures de débits sur les grands fleuves (Amazone, Congo, Niger, ...), avec des profondeurs importantes et des vitesses d'écoulement élevées, requièrent des embarcations de grandes dimensions. L'immobilisation du bateau dans la section se fait par ancrage, le repérage des positions par rapport à la berge à l'aide d'un cercle hydrographique, d'un télémètre, de théodolites, ..

(3) Mesures à partir de stations téléphériques. Lorsque les vitesses à mesurer dépassent 3 m/s, ou que la section de mesure est située en amont de chutes ou rapides dangereux, le seul matériel utilisable est la station téléphérique.

Les éléments constitutifs d'une station téléphérique sont les suivants:

Le principe de fonctionnement de ces stations est le suivant: le câble porteur de grosse section, supporte l'équipement de mesure par l'intermédiaire d'un chariot se déplaçant sur le câble. Ce chariot est manœuvré depuis la berge par un câble tracteur actionné par un treuil double avec lequel il est possible de déplacer également le saumon suivant les verticales choisies. Des compteurs donnent les abscisses et les ordonnées du moulinet. Les treuils sont soit manuels soit électriques.

Pour les rivières de grande largeur, ces installations seront fixées de manière permanente. S'agissant d'équipements lourds, donc onéreux, le choix du site et l'installation seront faits avec le plus grand soin. Pour les rivières de moindre importance (largeur < 50 m), il existe actuellement des stations téléphériques légères, facilement transportables, qui peuvent être installées sur le site rapidement. Les coûts seront ainsi largement minorés, un seul équipement pouvant être utilisé sur différentes stations de mesure
 
 

5.7.2. THÉORIE DE LA MESURE

La formulation du débit est: Q (m3/s) = L (m) ? Hm (m) ? U (m/s).

Que l'on peut aussi écrire: Q (m3/s) = S (m²) ? U (m/s).

L est la largeur de la section, H est la profondeur moyenne, U la vitesse moyenne, S est la surface de la section mouillée.

Cette formule implique que la vitesse U soit constante en tout point de la section. Or, cette condition n'est jamais satisfaite en écoulement fluvial. La vitesse varie d'un point à un autre par suite de la forme du lit à l'amont et à l'aval de la section de mesurage, de la rugosité des berges, de la végétation, des irrégularités du fond etc., et en un même point, elle fluctue en grandeur et en direction dans le temps.

Une représentation du débit est donnée par la figure 5.15:

Fig. 5.15. Représentation du débit (tiré de M. ROCHE).

Le débit est égal au volume d'eau contenu dans le trièdre curviligne limité par la droite AB et les courbes AMB (enveloppe des vecteurs vitesses des particules fluides en surface) et ANB (section du lit de la rivière dans le plan vertical passant par la droite AB). La surface gauche limitée par les courbes AMB et ANB est le lieu géométrique à l'instant + 1 seconde des particules d'eau ayant quitté le plan vertical ANB à l'instant ; c'est donc, en définitive, l'enveloppe des vecteurs vitesses de toutes les particules liquides de la section en travers.

Si S est l'aire de la section de mesure et U la vitesse supposée constante à travers un petit élément: dS = dp ? dl (avec dp élément de la profondeur et dl élément de la largeur), le débit dQ traversant cet élément de section sera donné par:

dQ = U dS (1)

et le débit total s'exprimera:

, (2)

qui peut également s'écrire:

, (3)

P et L étant respectivement la profondeur et la largeur de la section à travers laquelle s'écoule le débit Q.

La formulation (2) indique qu'il faut définir une vitesse moyenne sur toute la profondeur et obtenir ainsi un débit élémentaire appelé aussi débit unitaire ou produit unitaire (souvent désigné par le symbole PU), suivant une verticale qui sera sommé ensuite sur toute la largeur. La formule (3) montre que la vitesse moyenne peut être définie suivant une horizontale sur toute la largeur, puis le débit élémentaire ainsi calculé sera sommé sur toute la profondeur de la section.

On voit ainsi que la connaissance du débit n'est obtenue que par la mesure des vitesses en plusieurs points au sein de l'écoulement de façon à définir une vitesse moyenne. C'est ce que l'on appelle habituellement: mesure du débit par exploration du champ des vitesses.

Chaque composante du débit est mesurée de manière indépendante au cours de la même opération sur le terrain:

5.7.2.1. Méthode point par point. Les vitesses ponctuelles V sont mesurées en différents points de la section transversale, en général sur des verticales choisies à l'avance et à des profondeurs fixées. Il existe de très nombreuses écoles et règles pour le choix des verticales et des points de mesure (nombre et répartition).

La vitesse moyenne se calcule par:

.
Cette double intégration est faite en deux étapes:
et ;
soit en commençant par le calcul des aires de section mouillée  s'écoulant à une vitesse supérieure ou égale à une valeur donnée puis en intégrant ces aires suivant le vecteur de vitesse maximale; c'est la méthode dite des isotaches qui s'écrit:

et .

En pratique, l'intégration est faite graphiquement ou arithmétiquement (pour la méthode des paraboles uniquement.

5.7.2.2. Méthode par intégration.

Le jaugeage par intégration se pratique en déplaçant le moulinet à vitesse constante le long de chaque verticale. L'intégration peut s'effectuer de bas en haut ou de haut en bas selon le type d'équipement dont on dispose.

Le déplacement du moulinet à vitesse très lente (de l'ordre de 1/100 de la vitesse d'écoulement) et constante le long de la verticale, donne directement la vitesse moyenne sur cette verticale.

Soit un moulinet dont la formule de tarage est:  (1)

Dans laquelle u est la vitesse du courant et n le nombre de tours d'hélice enregistré pendant le temps t.

Soit P la profondeur totale et v la vitesse de déplacement du moulinet, supposée constante. Sur un élément dp de la profondeur P, on a une vitesse du courant u qui peut être considérée constante. Le moulinet mettra un temps pour parcourir l'élément dp (v est, en général, suffisamment petit par rapport à u pour que son influence sur u soit négligeable).

Pendant le déplacement le long de l'élément dp, on comptera un nombre de tours d'hélice dn qui répondra à la relation:

(car: ),

d'où: .

Si N est le nombre total de tours enregistrés sur la profondeur P, en un temps T = P/V, on a:

.

La vitesse U correspondante, calculée par la formule (1) sera:

,

or: vT = P et:, d'où:.

Ce qui est l'expression de la vitesse moyenne le long de la verticale.

Le jaugeage par intégration, donnant donc directement la vitesse moyenne sur la verticale, permet la réalisation de mesures plus rapides et plus complètes.

5.7.2.3. Exploration incomplète de la profondeur.

Cette façon de travailler peut être soit systématique, c'est la cas des méthodes américaines avec mesure en un ou deux points prédéfinis sur chaque verticale, soit occasionnelle lors de crues exceptionnelles avec transports importants de corps flottants.

Le choix de ces points de mesure a été fait après examen de très nombreux jaugeages sur les fleuves d'Amérique, qui ont montré que les vitesses à ces profondeurs sont voisines de la vitesse moyenne. L'estimation de la vitesse moyenne sera faite par comparaison avec les mesures complètes déjà réalisées sur ces verticales et les mesures partielles obtenues lors de la/ou des crues exceptionnelles. Dans ces cas extrêmes, l'estimation du débit est encore possible à partir de mesures superficielles: On obtient ainsi un certain nombre de points de mesures, répartis sur toute (ou partie de) la largeur de la section, à l'aide desquels il est possible de définir la vitesse moyenne de surface Vms. La section de mesure étant connue à partir de jaugeages complets réalisés à des cotes inférieures ou à partir du profil en travers, le débit s'obtient directement:

Q(m3/s) = K . Vms(m/s) S(m2),

K étant le coefficient de correction à appliquer à Vms pour avoir la vitesse moyenne dans toute la section: K = U/Vms. Ce coefficient se déduit des jaugeages complets pour lesquels U (vitesse moyenne = Q/S) et Vms sont connus.

S'il n'y a pas eu de jaugeages à la station ni aucune indication sur la variation de K dans la section que l'on étudie, on pourra prendre les valeurs suivantes:

Vitesses fortes, profondeur supérieure à 4 m 1,00

Vitesses moyennes en rivières de montagne 1,05

Grands fleuves 0,95

Pentes moyennes, rivières moyennes 0,90 à 0,95

Faibles pentes, rivières moyennes 0,85

Vitesses très faibles 0,80

Réalisés dans de bonnes conditions, les jaugeages aux flotteurs donnent de bons résultats et ils doivent être utilisés chaque fois que les méthodes classiques ne peuvent pas être mises en œuvre.

5.7.3. LES DIFFÉRENTS MODES OPÉRATOIRES

5.7.3.1. Choix du mode opératoire. Ce choix dépend:

Deux cas peuvent être distingués: rivière avec variation lente du plan d'eau où l'on appliquera la méthode classique de jaugeage, et rivière avec variations rapides et violentes: jaugeage en continu ou la méthode des verticales indépendantes, ou jaugeage par dilution si l’écoulement est très turbulent et n’autorise pas l’usage du moulinet.

Ces méthodes sont et resteront encore longtemps les plus usitées en France. L'apparition très récente de matériels tels que l'Acoustic Doppler Current Profilers (ADCP) vont probablement améliorer considérablement la réalisation des mesures, en particulier en crue, si toutefois les conditions de navigation ne sont pas trop défavorables.

Rappelons quelques règles qui doivent être toujours présentes à l'esprit de l'hydrométriste:

La méthode la plus rapide et la plus précise, est la correction des profondeurs lues sur le compteur à partir du levé topographique (profil en travers), pour les différentes cotes du plan d'eau. On aura ainsi directement la section mouillée si le fond du lit est stable, si ce n'est pas le cas, un profil en travers avant et après la crue aideront à la reconstituer. Une autre méthode couramment utilisée est la correction à partir de l'angle  de dérive du câble avec la verticale.

Pour la partie de câble exondée, la correction à apporter est:

LM = PA (1/cos- 1) = d (1/cos- 1)

et pour la partie de câble immergée, la profondeur réelle de la rivière p est égale à:

p = y - d (1/cos- 1) (1 - K),

K varie avec  comme l'indique le tableau 5.3:

Tableau 5.3 : Variation du coefficient K
en fonction de l'angle d'inclinaison du cable

 
aen degrés
K
aen degrés
K
6
0.0016
22
0.0248
8
0.0032
24
0.0296
10
0.0050
26
0.0350
12
0.0072
28
0.0408
14
0.0098
30
0.0472
16
0.0128
32
0.0544
18
0.0164
34
0.0620
20
0.0204
36
0.0698
Cette correction peut intervenir au stade final du dépouillement. Le débit réel étant égal au produit du débit obtenu à partir de la section définie sur le terrain par le cosinus de l'angle. , il faut corriger la vitesse par le cosinus de cet angle.

Ceci se produit uniquement dans le cas de jaugeages à la perche en utilisant une hélice non auto-composante, dans le cas de jaugeage au saumon, celui-ci se plaçant obligatoirement dans l'axe de l'écoulement il n'y a pas lieu de procéder à cette correction.

Fig. 5.16. Principe de la corrections sur les profondeur.

Il est possible de classer les méthodes de mesure en fonction du mode opératoire adopté pour la réalisation des jaugeages. Ce mode opératoire dépend des caractéristiques de la rivière, de l'équipement de la station hydrométrique et du matériel dont on dispose.

Nous présentons ci-après les principaux modes de mesurage, avec leurs limites d'emploi.

5.7.3.2. Mesures à gué.

C'est la méthode la plus simple à mettre en œuvre. L'opérateur se déplace le long de la section de jaugeage et tient directement à la main le matériel: généralement moulinet monté sur perche. La position des points de mesure est repérée en ordonnée (profondeur) à l'aide des graduations portées sur la perche, et en abscisses (distances à la berge) sur un double décamètre, un câble gradué tendu en travers de la section etc.

La position de l'opérateur doit être telle que la perturbation apportée à l'écoulement soit la plus faible possible: appareil de mesure tenu face au courant le plus loin possible en amont, jambes écartées.

Cette méthode appelée en pays anglo-saxons wading method n'est utilisable que dans des sections de profondeur inférieure à 1 m et avec des vitesses d'écoulement faibles inférieures à 1 m/s.

5.7.3.3. Mesures à partir d'un pont ou passerelle.

Si la section de jaugeage est située près d'un pont ou d'une passerelle, le dispositif de mesure sera déplacé à partir de ces ouvrages avec du matériel approprié: perche suspendue à un support (pied de perche par exemple), saumon de lestage monté sur porte-à-faux simple, porte-à-faux monté sur véhicule, cyclopotence manuelle ou motorisée.

La position des points de mesure est donnée en ordonnée par les graduations sur la perche ou un compteur de profondeur; en abscisses par lecture sur un décamètre ou par des graduations peintes sur le parapet du pont de manière définitive.

Avec une perche montée sur pied support on peut jauger avec des profondeurs < 1 m et des vitesses < 1 m/s. Ces limites sont un peu augmentées avec une perche manœuvrée par un chariot - treuil: P < 2 m et V < 2 m/s environ. Avec une cyclopotence, les profondeurs peuvent atteindre 10 m et les vitesses 3 m/s.

5.7.3.4. Mesures à l'aide d'un bateau.

On utilise pour cette opération un cercle hydrographique, appareil dérivé du sextant permettant de mesurer des angles dans un plan horizontal. Le bateau est maintenu en position dans la section à l'aide d'une chaîne et d'une ancre.

Les opérations de repérage des verticales sont simplifiées si l'on dispose d'un télémètre de précision. On peut aussi utiliser un théodolite installé sur une berge pour relever les différentes positions du bateau dans la section.

5.7.3.5. Bateau mobile (fig. 5.17 – 5.18). Le jaugeage consiste à effectuer plusieurs traversées successivement d'une rive à l'autre, à vitesse constante, le moulinet fixé sur une perche à l'avant du bateau étant maintenu exactement (en théorie) dans la section transversale. Pour faciliter les manœuvres du bateau, la distance effective de mesurage est définie par deux bouées ancrées à une quinzaine de mètres à l'amont de la section et à quelques dizaines de mètres de chaque rive.

Pour maintenir le moulinet dans la section transversale, il est nécessaire que le bateau se déplace en crabe à une vitesse égale ou aussi proche que possible de la vitesse d'écoulement. Ce qui signifie que l'angle a entre la direction du courant et la direction du bateau doit être voisin de 45°.

Au cours de la traversée, le moulinet et l'échosondeur fonctionnent en permanence de telle manière que la vitesse, la profondeur et l'angle a soient mesurés en plusieurs verticales successives (de 40 à 60). La distance entre les verticales correspond à un nombre constant de tours d'hélice, nombre choisi à l'avance, en fonction de la largeur totale de la section.

Il est important de bien comprendre le principe de la méthode: le moulinet mesure la vitesse résultante de la composition du vecteur Va qui correspond à l'écoulement et du vecteur Vb qui correspond à la vitesse du bateau. Si l'on choisit un nombre constant de tours d'hélice du moulinet, par exemple 200 et que cette hélice a un pas de 0,125 m, la distance parcourue est de 0,125?200 = 25 m et la distance réelle parcourue par le bateau lb est 25?cos a (par exemple 17,68 m si a = 45°).

Fig. 5.17. Jaugeage par la méthode du bateau mobile

Nous désignerons cette distance théorique par Lt. Elle n'est égale à la distance effectivement parcourue par le bateau que si a = 0°, c'est à dire si le bateau suit exactement la transversale, ce qui en matière de navigation est impossible quand Va n'est pas nul.

A chaque verticale, la vitesse Vm est mesurée à une seule profondeur qui est celle du moulinet (en général 50 cm à 1 m). La vitesse de l'eau VA est égale à Vm  sin a.

On considère que l'angle a reste constant entre deux verticales (ce qui est inexact sauf si le pilote du bateau est excellent) et la distance entre chaque verticale est donc la distance parcourue par le bateau.

En résumé:

de la verticale); Cette rapide description du principe de la méthode montre que le mesurage est complet pour la géométrie de la section transversale (section mouillée) mais que la vitesse est mesurée par points (40 à 50) sur une seule horizontale sub-superficielle. La vitesse moyenne mesurée doit donc être corrigée pour le calcul de la vitesse moyenne U et du débit. La perche extérieure, d'un diamètre de l'ordre de 40 mm est fixe et supporte:

Legende :

Fig. 5.18. Bateau équipé d'un matériel de jaugeage.

La perche intérieure est plus longue et pivote librement. Elle porte: C'est une méthode très utile en crue lorsque les vitesses d'écoulement et les matériaux transportés rendent difficile ou dangereux l'ancrage d'un bateau. Il faut cependant que l'on puisse naviguer sans péril et suivre une trajectoire directe d'une rive à l'autre. Il faut aussi que la charge solide n'empêche pas le bon fonctionnement de l'écho-sondeur, encore que l'on puisse se contenter de mesurer les vitesses superficielles dans certaines situations exceptionnelles. Elle présente l'énorme avantage de n'exiger aucune installation sur les berges: on peut très bien utiliser des repères naturels pour guider la trajectoire du bateau.

Le matériel utilisé, bien que spécifique, n'est pas d'une très haute technicité, ni d'un coût excessif. Enfin, la méthode est assez simple à pratiquer. L'opérateur le plus important est le pilote du bateau: c'est de son habilité à suivre la trajectoire et à maintenir un angle très proche de 45° que dépend la qualité du mesurage.

Le point faible réside dans la valeur du coefficient Kv. De toutes manières, le rapport U/Vms (vitesse moyenne superficielle) est un paramètre dont la détermination est essentielle dans toute section hygrométrique. Il faut le calculer pour chaque jaugeage afin de préparer les mesurages de très hautes eaux où, le plus souvent, seuls les flotteurs naturels, ou le canot mobile sont utilisables.

5.7.3.6. Le profileur de courant.

L’ADCP mesure la vitesse du courant, la vitesse relative par rapport au fond, la profondeur et l’intensité de l’écho. la vitesse d’écoulement est mesurée en une série de bandes d’égale profondeur, appelées cellules de profondeur (fig. 5.19). Une petite bande n’est pas mesurée près de la surface (correspondant à l’immersion de l’appareil, et à des blancs dus, semble-t-il, à la transmission des séquences d’impulsions. Une autre bande n’est pas explorée près du fond. Le profileur mesure également la vitesse de fond et la profondeur.


Fig. 5.19. Mesure par ADCP.

Le profileur enregistre toutes les données nécessaire au calcul des débit en une seule traversée de la rivière. Ces données comprennent: la profondeur, la vitesse du courant et les positions (abscisses) par rapport à la berge. Le système détermine les positions en abscisses à partir des mesures de vitesses de fond.

Une caractéristique spécifique du profileur, est sa capacité à mesurer la composante de la vitesse d’écoulement perpendiculaire à la trajectoire suivie pour traverser la rivière. Ceci permet au système de calculer le débit sans tenir compte de la trajectoire suivie. Des essais ont été réalisés plusieurs fois en faisant des traversées directes, des zigzag, et même des boucles au milieu de la rivière.

Des mesures de débits réalisées sur 4 fleuves des Etats-Unis et d’Europe ont montré que les résultats sont donnés avec une incertitude inférieure à 2%. La plupart des écarts constatés provenaient des variations naturelles du débit plutôt que d’erreurs de mesures.

Le profileur peut également faire des mesures de débit dans les rivières à forte charge solide en suspension. Des concentrations élevées peuvent influencer les mesures de vitesses de fond, qui pourront être légèrement surestimées, voisines des vitesses d'écoulement près du fond. Ceci est appelé: dérive de l'eau.

Les profileurs à large bande de fréquence sont moins sensibles à ce problème que ceux à bande étroite car ils utilisent des impulsions de transmission plus courtes. Celles-ci réduisent l'écho réfléchi par l'eau (chargée) par rapport à celui du fond.

Comme ce type d'appareil permet des cellules de profondeur plus étroites, on peut utiliser des fréquences plus basses pour les mesures en rivières peu profondes.

Ces basses fréquences augmentent également la force de l'écho de fond par rapport à celui des eaux chargées et ainsi minimisent la dérive de l'eau. Par exemple, une mesure de débit a été réalisée avec succès dans les eaux très chargées du MISSISSIPPI avec une bande d'émission de 300 kHz.

Le profileur peut être installé dans un puits spécial sous le bateau, à l'avant ou sur le coté de l'embarcation. L'installation à la proue, nécessite une fixation solide de l'appareil qui doit être suffisamment immergé pour que des bulles ne viennent pas se former sur la face inférieure du transducteur quand le bateau déjauge. La profondeur d'immersion dépend de la vitesse d'avancement du bateau et de la surface du plan d'eau, généralement 0,20 à 0,50 cm sont suffisants.

Le compas installé dans le transducteur doit être aussi éloigné que possible de masses ferromagnétiques, comme le moteur par exemple. Les données du compas ne sont pas nécessaires pour le calcul des débits, mais utilisées pour déterminer la direction de l'écoulement.

5.7.3.7. Cas particulier.

Dans le cas particulier des jaugeages en crue, avec variations très rapides du niveau du plan d'eau (plusieurs dizaines de centimètres par heure), on est amené à utiliser la méthode du jaugeage en continu ou par verticales indépendantes.

Le principe de cette méthode est le suivant: s'il faut une heure pour faire un jaugeage complet (10 à 12 verticales en moyenne), il faudra, compte tenu des déplacements du matériel, 4 à 5 minutes pour explorer une verticale. La variation de la cote à l'échelle pendant la mesure sur une verticale sera très faible, de l'ordre de quelques centimètres au maximum. En réalisant pour chaque verticale une série de mesures réparties sur tout le domaine de variation du plan d'eau, il sera possible de tracer une courbe d'étalonnage représentant la relation entre les hauteurs et les débits unitaires mesurés sur les différentes verticales.

A l'aide des courbes d'étalonnage par verticales ainsi obtenues, on peut ensuite définir pour chaque verticale une série de débits unitaires correspondant à des cotes à l'échelle préalablement définies. L'intégration de ces débits unitaires sur toute la largeur de la section donnera, pour les différentes cotes choisies, les débits qui permettront le tracé précis de la courbe de tarage de la station.

De ce qui précède, nous déduisons les règles impératives à respecter pour la mise en oeuvre de cette méthode:


5.7.4. OPÉRATIONS DE TERRAIN ET DE BUREAU

Nous dirons, en préambule à ce paragraphe, que la mesure des débits, malgré sa simplicité apparente, est une opération parfois délicate qui demande un sens constant de l'observation et un grand souci de minutie. En hydrométrie, les événements exceptionnels sont rares, difficiles à observer et une fois survenus, seules les notes et mesures faites scrupuleusement permettent de les analyser correctement. Ceci corrobore ce qu'écrivait J.A.RODIERÅLes mesures de débits doivent être menées intelligemment car elles requièrent beaucoup plus de compétences, de jugement et d'imagination qu'on ne le pense.

5.7.4.1. Jaugeage point par point

Dans de nombreux pays, le nombre de points de mesure sur une verticale est évalué à partir de formules empiriques qui donnent des résultats souvent très différents et aboutissent parfois à des temps de mesure très longs.

Nous adoptons en ce qui nous concerne les cas des grandes rivières les méthodes de jaugeage avec moulinet suspendu sur saumon.

Pour des profondeurs supérieures à un mètre, on prendra cinq points répartis de la façon suivante: un en surface à 0,10 m en dessous du plan d'eau, un au fond à la distance que permet le montage du moulinet (constante du saumon), et trois points répartis dans la hauteur restante au 2/10, 5/10 et 8/10 de cette hauteur.

La figure 5.20 montre la répartition des points sur la verticale.

Fig. 5.20. Répartition des points de mesure sur une verticale.

La hauteur intermédiaire est égale à 3.00 m. Nous prenons:

.

Tous les jaugeages seront réalisés avec une répartition des points identique.

Ne pas oublier que multiplier exagérément le nombre de points donne une précision toute illusoire si, dans le même temps, la cote du plan d'eau varie notablement.

Le dépouillement manuel des jaugeages se fait graphiquement soit par la méthode des paraboles des vitesses (la plus courante) soit par la méthode des isotaches. La 1-ère méthode consiste à faire une première intégration des vitesses ponctuelles sur la verticale de mesure (parabole des vitesses), le résultat de cette opération étant l'obtention des valeurs des débits unitaires (m²/s), puis ensuite une deuxième intégration en reportant ces valeurs de PU au droit de chacune des positions des verticales sur la section en travers. Le résultat obtenu est le débit écoulé dans la section (m3/s). Pour chaque jaugeage, qu'il soit dépouillé manuellement ou de manière automatique, on s'attachera à calculer les données suivantes:

La figure 5.21 présente le schéma de dépouillement graphique d'un jaugeage.

On peut aussi procéder par une méthode d'intégration arithmétique. Dans ce cas, la méthode la plus précise est la méthode de la section médiane, dans laquelle la section transversale est découpée en segments dont la largeur est égale à la demi-distance qui sépare une verticale de ses voisines et dont la profondeur et la vitesse d'écoulement sont celles de la verticale considérée.

Ceci s'écrit:

,

, U = Q/S ,

avec pour la verticale j= distance à la rive; = profondeur; = vitesse moyenne.

5.7.4.2. Jaugeage par intégration.

Les jaugeages par intégration peuvent être réalisés soit à l'aide d'un montage sur perche (perche AGAR III), soit à l'aide d'un montage sur saumon. Dans ce dernier cas, la hauteur totale de la verticale ne peut pas être explorée, le moulinet étant fixé soit sur le nez, soit suspendu au dessus du saumon. La partie inexplorée sera donc égale à la constante du saumon.

Fig. 5.21. Dépouillement graphique d'un jaugeage.

Nous proposons de procéder comme suit pour la correction: si C représente la constante, et V la vitesse de descente, le saumon aurait mis un temps T = C/V pour atteindre le fond. Il suffira une fois atteint le fond, de faire une mesure pendant ce temps T, et de rajouter le temps et le nombre de tours enregistrés aux valeurs comptabilisées pendant la descente.

Le jaugeage par intégration ne peut donner de bons résultats que si le temps de mesure est suffisamment long: 60 à 100 secondes. Ceci implique de ne jamais utiliser cette méthode pour des profondeurs < 0.30 m avec la perche AGAR III (vitesse de montée = 0.5 cm/s), ou < 1 m avec le montage sur saumon (vitesse de descente = 1.5 à 2 cm/s).

Cette méthode ne pourra non plus être employée pour des vitesses d'écoulement faibles ( < 0.5 m/s), la vitesse de descente du moulinet devant être nettement plus réduite que la vitesse du courant.

Préparer les feuilles de jaugeage, si nécessaire, comme pour les jaugeages point par point, puis procéder comme suit:

5.7.4.3. Jaugeage par la méthode des verticales indépendantes.

Cette méthode, très simple à mettre en œuvre, ne demandant qu'un simple esprit de rigueur, doit être mise en œuvre le plus souvent possible (pour ne pas dire systématiquement) lors de mesurages de crues sur les rivières à variations rapides (type méditerranéen par exemple).


Ce repère pourra être par exemple le poteau support du câble porteur, mais en aucun cas la limite du plan d'eau sur la berge, celle-ci variant constamment avec la hauteur.

Les positions des verticales seront clairement indiquées sur le profil en travers de la section, qui doit être impérativement affiché dans la cabine du treuil.

Une mesure complète par les méthodes classiques demande au minimum une heure...quand tout marche bien. Sur les rivières à crues rapides, les variations du plan d'eau en une heure peuvent atteindre plusieurs dizaines de cm.

En opérant par verticales indépendantes, le temps de mesure sur chaque verticale est réduit à quelques minutes, d'où une variation très faible de la cote limnimétrique. Nous verrons que les méthodes de dépouillement utilisées permettent un tracé très précis de la courbe de tarage.

Le dépouillement d'un jaugeage continu, est au départ celui d'un jaugeage point par point ou par intégration, suivant le mode opératoire sur le terrain.

Si l'on opère point par point, il peut être intéressant de grouper les paraboles d'une même verticale sur un graphe unique avec origine commune au fond: ceci permet de détecter les erreurs de mesures (vitesses, profondeurs), de suivre les déformations de la parabole, de reconstituer au mieux par comparaison, les verticales incomplètes obtenues au cours de mesures partielles.

La seconde phase du dépouillement consiste à tracer les courbes d'étalonnage de chacune des verticales indépendantes. Il faut un nombre de points suffisant (5 au minimum), avec une dispersion la plus faible possible pour permettre un tracé précis. Cette courbe ne sera extrapolée vers le haut et/ou vers le bas que dans des limites faibles (20 à 30% de l'échelle des hauteurs).

Dans le cas de stations stables, les points doivent se placer correctement sur la courbe. S'il y a des points trop éloignés, il faut en rechercher la cause: forte dérive du saumon mal corrigée, moulinet détérioré ou ensablé (à vérifier fréquemment sur le terrain)...

Avec les stations à fonds très mobiles, cette méthode ne devrait pas être utilisée, les résultats étant par trop imprécis.

La dernière étape est l'intégration des débits unitaires. Elles se fait comme pour un jaugeage complet:

La figure 5.22 montre les courbes d'étalonnage obtenues pour certaines verticales et la reconstitution des courbes de débits pour différentes hauteurs à l'échelle.

Fig. 5.22. Dépouillement du jaugeage par verticales indépendantes. Reconstitution des courbes de débit pour différentes hauteurs à l’échelle.
 

5.8. JAUGEAGES AUX FLOTTEURS

Cette méthode donne de bons résultats si la technique est correctement appliquée. Ce procédé peut paraître sommaire mais il est toujours préférable d'avoir une mesure aux flotteurs que pas de mesure du tout.
 
 

5.8.1. THÉORIE

5.8.1.1. Méthodologie.

Le débit Q d'un cours d'eau est égal au produit de la section transversale (ou section mouillée Sm) par la vitesse moyenne de l'écoulement dans cette section U:

Q= Sm m² Um/s.

Sm est calculée à partir des profils en travers effectués avant et après la crue sur au moins deux sections, celles matérialisées par les balises AB et CD par exemple.

U est estimée à partir des vitesses de surface, à l'aide du rapport K = U/Vms calculé pour les jaugeages complets qui ont pu être réalisés à la station (Vms est la vitesse moyenne de surface). Pour une station donnée, le rapport K peut évoluer en fonction de la cote et du débit.

5.8.1.2. Calcul de la vitesse moyenne de surface.

En traitement manuel on utilisera la méthode d'intégration graphique, comme pour les jaugeages point par point; auparavant, il faut calculer pour chaque flotteur la vitesse et la position par rapport à la base AB. Ces calculs permettent de tracer le graphe de la figure 5.23 à partir duquel sera calculée la vitesse moyenne de surface.

Fig. 5.23. Répartition des points de mesures dans la section.

5.8.2. LES FLOTTEURS

Les flotteurs servent à la détermination des vitesses en surface: flotteurs naturels (arbres,...) ou artificiels (bouteilles lestées...), ou en profondeur, vitesses moyenne sur une verticale (bâtons lestés,...). La figure 5.24 montre quelques types de flotteurs et en particulier un dispositif permettant la mesure en profondeur.

Fig. 5.24. Différents types de flotteurs.
 
 

5.8.3. MÉTHODE DES FLOTTEURS LESTÉS

Nous citerons cette méthode pour mémoire car elle est assez peu utilisée. Son application ne peut être faite que dans des sections parfaitement calibrées en profondeur sur une certaine longueur. Elle donne de bons résultats dans le cas de vitesses très faibles où l'utilisation des moulinets n'est plus possible.

Pour avoir la vitesse moyenne avec une précision convenable, il faut être sûr que le flotteur couvre au moins les 3/4 de la profondeur. Il faut également que le flotteur soit immergé verticalement, la partie aérienne étant la plus réduite possible.

Le débit total est obtenu à partir du débit unitaire sur chaque verticale calculé en faisant le produit de la vitesse mesurée par une profondeur fictive p égale à la moyenne arithmétique de la profondeur réelle et de la longueur immergée du flotteur. Cette règle empirique est utilisée pour tenir compte du fait que la vitesse mesurée est légèrement supérieure à la vitesse vraie, le flotteur n'explorant que la tranche supérieure de l'écoulement.
 
 

5.8.4. CHOIX DU SECTEUR DE MESURE

Il est recommandé et presque indispensable d'effectuer cette opération avant les crues. On choisit un tronçon de rivière ayant une longueur au moins égale à deux fois la largeur du plan d'eau ou, en fonction de la vitesse du courant, permettant un chronométrage du flotteur pendant un temps minimum de 50 secondes, et présentant les caractéristiques suivantes:

Ces conditions étant à respecter le mieux possible, le bief idéal existant rarement.
 
 

5.8.5. BALISAGE

Il comprend quatre balises A B C D naturelles ou artificielles, réparties deux par deux sur chaque rive et matérialisant deux sections transversales AB et CD (fig 5.25).

Fig. 5.25. Balisage d'une section de mesures aux flotteurs.

Il faut que:

Après implantation des balises, un lever topographique précis permettra de connaître L, AB, CD, ainsi que les distances des balises aux rives et les profils en travers de la rivière.
 
 

5.8.6. MESURE DES VITESSES




5.8.6.1. Méthode des deux chronomètres à aiguilles rattrapantes.

C'est la méthode la plus complète et la plus sûre, mais aussi la plus difficile. Rappelons qu'un chronomètre à aiguille rattrapante est un chronomètre muni de deux aiguilles qui partent simultanément lors du déclenchement, mais qui peuvent être arrêtées séparément. Ce chronomètre mesure donc deux temps  et  avec une même origine . La mesure sera réalisée par deux techniciens munis chacun d'un chronomètre et aidés par un observateur qui lancera les flotteurs artificiels, ou signalera l'arrivée des flotteurs naturels.

5.8.6.2. Exécution de la mesure.

Les deux agents placés en A et C déclencheront leur chronomètre au signal donné par A, quand le flotteur passera en position 2. L'agent C aura un 1er top quand le flotteur coupera la ligne fictive CB, soit position 3, et le 2ème top quand le flotteur coupera la ligne CD, soit la position 6. L'agent A, aura son 1er top quand le flotteur coupera la ligne fictive AD, position 4, et le 2ème top au signal donné par l'agent C quand le flotteur sera en position 6.

Les temps mesurés sont portés sur des fiches tenues par chaque technicien; chaque flotteur est numéroté, on utilise une ligne du tableau par flotteur. Si l'observateur placé en C ne peut repérer un flotteur il l'indiquera à son collègue et seul le temps  sera mentionné. Chaque technicien portera en face du numéro du flotteur la mention flotteur perdu ou FP en abrégé.

A la fin de la mesure on dispose de quatre temps pour chaque flotteur:

pour le parcours L.

On constate immédiatement que =, aux erreurs de mesure près. Les temps ta et tc seront utilisés lors du dépouillement pour le calcul de la distance du flotteur à la rive. Pendant toute la durée du jaugeage, il est nécessaire de noter les variations du plan d'eau. Les cotes limnimétriques et les profils en travers antérieurs et postérieurs à la crue, permettront de connaître la loi de variation dans le temps de la section mouillée.

5.8.6.3. Méthode utilisant un seul chronomètre.

Seul l'opérateur C effectue les mesures, A donne l'instant de passage des flotteurs sur AB (position 2); on a le temps T pour parcourir la distance L et le temps  pour parcourir , ce qui donne une seule estimation de la distance du flotteur à la rive.

Sur la figure 5.26 nous avons: (abscisse du flotteur déterminée à l'aide des mesures de l'observateur A).

Fig. 5.26. Calcul des vitesses et positions des flotteurs (tiré de G. JACCON).

Si V est la vitesse du flotteur supposée constante entre les deux sections AB et CD, nous avons:

et .

Aux erreurs de mesure près on doit avoir:

d'où: .

; . Dans le triangle ABC, on a: ;

.

Si les mesures sont réalisées correctement et si la trajectoire des flotteurs est bien parallèle à AC, on a: .

La position du flotteur par rapport à la base AC sera donnée par:

.

Dans le cas de sections obliques par rapport à la direction de l'écoulement (angle), l'abscisse des flotteurs sera multipliée par cos.

Si l'on dispose de la courbe de variation du rapport K (=U/Vms), on en déduira, pour la cote à l'échelle à laquelle a été effectué le jaugeage aux flotteurs une valeur de K, d'où une valeur de U et enfin le débit Q.

Remarque: Les jaugeages aux flotteurs ne doivent être faits que lorsque l'usage du moulinet est impossible, ou que les risques de dommages sont importants. Faites avec soin, ces mesures permettent une estimation satisfaisante du débit. Elles demandent pour cela un entraînement sérieux des équipes et une bonne préparation préalable du terrain.

5.9. CONCLUSION

Les méthodes qui permettent de mesurer directement ou indirectement une partie du débit sont nombreuses. Etant convaincu qu'une mauvaise mesure vaut mieux qu'un bon calcul (Marcel Roche dans HYDROLOGIE de SURFACE), il ne faut jamais hésiter à mesurer.

Pour l'hydrométriste, à défaut d'un moulinet et d'un bateau, une montre est suffisante pour mesurer des vitesses d'écoulement superficielles, par des flotteurs naturels toujours abondants lors des crues, et un niveau de topographe pour effectuer (après la crue) des relevés de niveaux, de sections et de pentes longitudinales. Ces éléments sont toujours d'une grande importance au moment de définir les courbes de tarage car ils résultent d'observations effectives et non d'hypothèses ou d'estimations hasardeuses.