Mesure sans contact des débits

Christian Haritchabalet, AnHydre

Wolfram Sommer, Sommer Mess-Systemtechnik

Le débit est l’un des paramètres hydrologiques importants pour l’aménagement, la gestion et la prévention des désastres par les cours d’eau. Le système sans contact RQ-24 mesure le débit par la technique radar. La caractéristique de ce système est la capture en continu de la vitesse d’écoulement en vue d’une mesure exacte du débit et d’une évaluation des situations spécifiques de ce débit. En cas de crue, le système mesure ce débit exact et, grâce à cette technique sans contact par radar, il n’est pas mis en danger ou endommagé par le charriage de pierres ou d’arbres. Si les plaines inondables se trouvent submergées, le débit peut être déterminé en combinant plusieurs sondes en un ensemble intégré. Le système mesure depuis les très faibles hauteurs d’eau jusqu’aux débits maximaux possibles des crues de 100 ans, voire plus. Ce système est un outil fiable pour mesurer en toutes situations sur les rivières, les oueds, les torrents en montagne ou en simples canaux à surface libre.

Détermination du débit

Le capteur détermine le débit Q, quantité actuellement en circulation. Sur la base du principe de continuité, le débit est calculé en multipliant l’aire de la section transversale dans laquelle circule l’eau (A), pour le niveau donné (h), par la vitesse moyenne (v_m). Le capteur mesure le niveau et la vitesse locale. Pour la conversion de la vitesse locale v_l en vitesse moyenne v_m, le facteur sans unité k est requis, il est déterminé par la calibration du site de mesure.

Le facteur k et le profil de la rivière ne sont déterminés qu'une fois. Tout le calcul du débit est fait par la sonde et délivré en litres/s ou m³/s.

Q......... Débit [m³/s]

Vₘ........ Vitesse moyenne dans l’aire mouillée (xy) dans la section transversale [m/s]

v₁......... Vitesse locale mesurée en une position connue (x,y) dans la section transversale mouillée [m/s]

k......... Facteur sans unité

A(h)...... Section mouillée fonction du niveau h [m²]

En conséquence, des mesures précises de niveau et de la vitesse doivent être complétées par une procédure universelle d’évaluation applicable afin de créer les meilleures fonctions de mise à l’échelle du facteur k dépendant donc de la spécificité et du niveau sur le site (2). Cette méthode doit produire pour ce site des ratios k spécifiques et précis entre les vitesses, à court terme comme pour la plage totale possible des variations de niveau :

hmin ≤ h ≤ hmax (4)

qui peuvent se produire sur le site de mesure sous investigation, y compris donc pour les niveaux extrêmes des hautes eaux.

Calibration du site de mesure

Le système RQ-24 mesure une vitesse locale v₁ de l’écoulement. Les vitesses moyennées dans l’aire vₘ de la section mouillée diffèrent en général fortement des vitesses mesurées localement v₁ ; aussi des mesures précises du débit vont exiger des connaissances précises complémentaires sur le site – des ratios k sans unité, spécifiques et fonction du niveau, doivent être déterminés par la calibration. Les méthodes suivantes de calibration peuvent être utilisées :

• - Modèle numérique deux dimensions [1] ;
• - Modèle numérique trois dimensions pour les sites complexes de mesure [1] ;
• - Mesures extensives manuelles de vitesse et de débit à différents niveaux d’eau.

Avantages de la calibration par modèle numérique

Les modèles numériques transforment des informations à base géométrique, existantes ou simplement disponibles (comme section transversale et/ou modèle numérique de terrain), en caractéristiques hydrauliques décrivant les conditions d’écoulement général fortement liées au site – spécificité et niveau sous investigation en station de jaugeage.

Les modèles numériques produisent ces caractéristiques hydrauliques dépendantes du site – spécificité et niveau – pour la plage complète pratiquement exploitable hmin ≤ h ≤ hmax des variations du niveau pouvant se produire sur le site de mesure.

de débit sous investigation, y compris les niveaux extrêmes des hautes eaux.

Caractérisation du modèle numérique avec exemple de SIMK® [1] :

• - Une applicabilité universelle aux rivières et canaux de toute forme et de toute taille ;
• - Des calibrations fonctions systématiques de site – spécificité et niveau, y compris les niveaux extrêmes des hautes eaux ;
• - Haute précision ;
• - Indépendante du débit actuel (hautes eaux) et, en conséquence,
• - Débit indépendant rapidement disponible à tout moment.

Les résultats de la calibration SIMK® sont résumés en tableau de relation sans unité sur un petit site – spécificité et niveau – k(h) = Vₘ / v₁,

• - Qui a été déterminé seulement une fois ;
• - Qui est stocké en numérique dans le système de mesure de débit RQ-24.

Immédiatement ensuite, ces résultats SIMK® permettent des mesures précises des débits :

• - Même en conditions d’influence aval ;
• - Sur la plage complète des variations de niveau hmin ≤ h ≤ hmax (y compris les hautes eaux extrêmes).

Avantages de la mesure en continu de la vitesse d’écoulement

Avec la détermination de la section transversale conditionnée par le niveau d’eau, la vitesse de l’écoulement est souvent un paramètre occasionnel dans l’équation de continuité du calcul de débit. La vitesse est souvent déterminée avec des méthodes conventionnelles et occasionnellement sur de longs intervalles de temps. Le système RQ-24 mesure la vitesse d’écoulement en continu, même dans le cas des crues.

Le bénéfice apporté par ce système innovant est l’analyse continue des altérations hydrauliques de l’écoulement par analyse de corrélation entre “débit/niveau” et “vitesse/niveau”.

Ces analyses permettent une meilleure compréhension des situations hydrauliques comme :

• - Fluctuations de débit – influences amont ou aval, barrage anti-crue abaissé ou relevé ;
• - Changement dans le lit de la rivière – effets d’agglomérats/dégradation ;
• - Augmentation ou diminution d’influence aval ;

Résumons les avantages de la mesure en continu de la vitesse d’écoulement :

• - Mesure précise des débits, particulièrement en cas de crues ;
• - Disponibilité immédiate des données : débit, niveau et vitesse dans l’écoulement ;
• - Meilleure compréhension et analyse des processus hydrauliques.

Exemple : changements dans le lit du cours d’eau

Par sa mesure continue, même en conditions de crue, la sonde RQ-24 produit une image permanente de la vitesse d’écoulement. Normalement, lorsque le niveau d’eau augmente, la vitesse d’écoulement augmente aussi et vice versa. Un changement dans le lit du cours d’eau modifie la corrélation « débit/niveau » et « vitesse/niveau ». Cette modification peut être détectée immédiatement avec le système RQ-24. Ce graphe démontre un changement dans le lit après une crue. La modification de corrélation « débit/niveau » entre la courbe noire et la rouge (voir la figure 6). Lorsque le changement du lit est détecté, le système RQ-24 est paramétré par addition ou soustraction de l’aire d’augmentation ou diminution en m².

Mesure même en période de crue avec couverture des plaines inondables

En conditions normales de débit, la rivière reste dans son lit principal. En cas de crue, le niveau augmente jusqu’au débordement dans les plaines inondables, ex. : champs environnants. L’aire mouillée augmente et la distribution de vitesse dans la rivière

change fondamentalement. Le système RQ-24 mesure depuis les eaux d'étiage jusqu'aux maxima possibles d'une crue de 100 ans ou même plus.

Paramétrage du système RQ-24

La qualité de mesure est déterminée principalement par la sélection du site de mesure. La facilité d'installation de la sonde sur les ponts, plafond des canaux couverts ou toute structure au-dessus de l'écoulement signifie que les sites qui, dans le passé, étaient considérés comme très difficiles deviennent des options réalistes. Les plus importants critères pour un site de mesure sont la spécificité du lit, les conditions du débit et de l'écoulement en surface. La stabilité du lit de la rivière est le facteur décisif pour garantir une mesure uniforme. La surface de l'eau ne peut être ni complètement calme ni extrêmement agitée : on doit y reconnaître les vaguelettes en surface. La zone de mesure ne doit comporter ni rochers, ni tourbillons, ni chutes ou ravines multiples. En fonction de la composition de la surface de l'eau, la hauteur d'installation peut varier d'un maximum de 25 m à un minimum de 1 m au-dessus de la surface. La direction de l'écoulement n'affecte pas la mesure de vitesse, aussi les mesures peuvent être prises dans le fil du courant ou contre lui. La direction n'est pas capturée.

Exemple d'utilisation

Crue de 100 ans en août 2005 (Autriche)

Site de mesure sur le Rhin en Autriche. Installation sur un pont de chemin de fer. Durant la crue de 100 ans d'août 2005, le

Le système RQ-24 a mesuré avec fiabilité le débit.

Mesure de débit sur les rivières larges

La rivière « Inn » en Autriche a une largeur d’environ 300 m en amont de son confluent avec le fleuve « Danube ». Le site de mesure est localisé à proximité de la ville de « Schärding ». Sur ce site de mesure, deux sondes RQ-24 sont combinées. Chaque sonde mesure un débit partiel de la rivière qui sont automatiquement additionnés pour obtenir le débit total. Une sonde opère en maître et reçoit la valeur mesurée par la seconde sonde via une transmission radio ; elle calcule et sort le débit total de la rivière via une interface analogique ou numérique. Les deux sondes RQ-24 et la transmission intégrée par radio sont alimentées par panneau solaire, ce qui a facilité l’installation sur le pont.

Conclusion

Par la combinaison directe du système de mesure sans contact RQ-24 par radar des débits et d’un modèle numérique comme la calibration SIMK® applicable universellement, la technologie permet des réalisations rapides de stations versatiles de jaugeage de débit caractérisées par :

• Mesure de haute précision du débit ;
• Mesure même durant des crues comprenant les niveaux extrêmes des hautes eaux avec couverture des plaines inondables ;
• Mesure en continu de la vitesse au lieu de campagnes forcément limitées de mesure périodiques pour déterminer le débit ;
• Coûts réduits de l’investissement non récurrent et pas de modification structurelle du cours d’eau ;
• Fonctionnement sans maintenance et risque quasi nul de défaut grâce à la technique de mesure sans contact par radar. Le système n’est pas exposé aux risques de dommage notamment durant les crues.

- Crues par le charriage de roches, d’arbres, etc. ;

- Faisabilité confirmée en réalisant de petits intervalles de mesure ;

- Disponibilité immédiate en ligne des valeurs actuelles de mesure à tout moment sans post-traitement supplémentaire.

Références bibliographiques

[4] Kölling, C. : SIMK® – Calibration of Streamflow – Gauging Stations in Rivers and Canals, Cinquième conférence internationale IGHEM 2004, July 2004.

« Innovation in Hydraulic Efficiency Measurement », University of Applied Sciences, Lucerne/Switzerland, July 2004.