Bernard Chocat :
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''Traduction anglaise : velocimeter''
Dernière mise à jour : 11/09/2024
Appareil destiné au mesurage de la vitesse ; en hydrologie on s'intéresse spécifiquement au mesurage de la [[Vitesse d'un écoulement (HU)|vitesse des écoulements]] dans les cours d'eau et dans les réseaux d'assainissement, généralement pour estimer une valeur de débit (voir [[Débitmétrie (HU)]])
Cet article fait partie d'une série plus complète sur l'hydrométrie et la débitmétrie dans les réseaux et dans les cours d'eau ; voir en particulier [[Limnimètre (HU)|Vélocimètre (HU)]] et [[Débitmétrie (HU)]]. En plus des membres de l'association Eurydice, il a bénéficié de la relecture et des contributions de Nicolas Walcker ([[OTHU (HU)|OTHU]]), de Mathieu Zug et de Matthieu Dufrene.
==Différents types de mesurages de la vitesse==
On sait depuis longtemps que la vitesse des filets liquides n'est pas la même en tout point d'une section en travers d'un écoulement (''figure 1'').
[[File:débitmètre_encyclo2.PNG|600px|center|thumb|
''Figure 1 : Distribution type des vitesses mesurée par Henry Bazin dans un canal rectangulaire étroit ; Source : Nordon (1991).'']]
Or, les principes susceptibles d'être mis en œuvre pour le [[Mesurage (HU)|mesurage]] des vitesses sont très divers ; donc, selon le principe utilisé, le [[Mesurande (HU)|mesurande]] (c'est à dire la grandeur effectivement mesurée) sera différent. Par exemple :
* un mesurage effectué avec un [[Moulinet (HU)|moulinet hydrométrique]] ou un autre type de [[Courantomètre (HU)|courantomètre]] fournira une valeur locale de vitesse des filets liquides ;
* le mesurage d'un temps de transit par des sondes à ultrasons fournira une valeur moyenne sur une corde, correspondant à l'intégration des valeurs locales de vitesses sur le trajet suivi par le train d'ondes ;
* l'utilisation d'un vélocimètre immergé à effet Doppler fournira :
** soit une valeur maximale de vitesse dans le cône de mesure,
** soit une valeur moyenne sur une surface, correspondant à l'intégration des valeurs locales sur une partie de la [[Section mouillée (HU)|section mouillée]] ;
* l’utilisation d’un vélocimètre aérien sans contact, radar ou laser, fournira une valeur de vitesse en surface, ou légèrement sous la surface, qui, sauf exception (par exemple dans le cas d'un canal étroit illustre sur la ''figure 1''), s’approchera d’une valeur de vitesse maximale ;
* etc.
Il est donc nécessaire de bien savoir, pour chaque type de technologie, ce que mesure effectivement le vélocimètre, de façon à traiter l'information de façon correcte pour en déduire la grandeur d'intérêt (par exemple une valeur moyenne de vitesse d'écoulement si l'on cherche à calculer un débit).
==Éléments d'historique==
Les premières mesures de vitesse semblent avoir été réalisées avant notre ère sur le fleuve jaune, à l’aide d’un cheval courant sur la berge à la même vitesse que le courant de surface que l’on suivait par des flotteurs dérivant au fil de la rivière (Lallement, 2021). Les méthodes de mesurage de la vitesse des écoulements se sont longtemps limitées à l'utilisation de flotteurs de diverses natures qui ne donnaient que la vitesse en surface ou à son voisinage immédiat et il a fallu attendre la renaissance pour voir apparaître de nouveaux concepts.
Santorio (1561-1630) a inventé vers 1610 une "balance hydrométrique" pour mesurer la force exercée par le courant sur un obstacle placé au sein de l'écoulement. Ce type de dynamomètre a ensuite été perfectionné par P. Michelotti en 1767 pour permettre la mesure des vitesses à des hauteurs variables. Entre temps, Robert Hooke, inventeur anglais inspiré par la propulsion des bateaux par hélice, aurait proposé vers 1683 de mesurer la vitesse au moyen d'une hélice libre immergée. Mais il ne s'agissait encore que d'une idée sans réalisation concrète. Reprenant les travaux de Robert Hooke (et de Henry de Saumarez), Estavao Cabral (1786), puis Reinhardt Woltman (1790) mettent finalement au point le premier [[Moulinet (HU)|moulinet hydrométrique]].
Partant d'un principe différent, Henri Pitot (1695-1771) invente le tube qui porte son nom : une "''machine pour mesurer la vitesse des eaux courantes et le sillage des vaisseaux''". Pour ceci, il installe deux tubes piézométriques perpendiculaires dans l'écoulement : le premier est parallèle au courant pour mesurer la pression totale, le deuxième est perpendiculaire au courant et mesure la pression statique. La vitesse de l'écoulement est alors directement proportionnelle à la racine carrée de la différence de pression. C’est avec ce dispositif en particulier, après son perfectionnement par [[Darcy Henry (1803-1858) (HU)|Henry Darcy]] en 1858, que l’on effectuera des jaugeages sur la Seine à Paris lors de la grande crue de 1910 (Lallement, 2021). Les moulinets hydrométriques resteront cependant le dispositif de référence pour la plupart des jaugeages, même s'ils commencent à être concurrencés par les courantomètres électromagnétiques vers les années 1950, en particulier pour les petits cours d'eau (Reméniéras et Hermant, 1954).
Ce n'est finalement qu'à la fin du XXème siècle que commencent à apparaître des appareils légers et capables de mesurer en continu la vitesse d'un écoulement. Les premiers dispositifs opérationnels sont des sondes à ultrasons, tirant parti de la différence de temps de transit d'une onde selon qu'elle va dans le même sens que l'écoulement ou en sens contraire. On développe ensuite des dispositifs à effet Doppler, soit immergés, soit hors d'eau, utilisant différentes longueurs d'onde. On adapte également aux écoulements à surface libre les vélocimètres électromagnétiques, développés pour les écoulements en charge.
Ce sont principalement ces différentes techniques qui vont être décrites dans les paragraphes suivants.
==Mesurage par moulinet hydrométrique==
===Principes de la méthode===
Un moulinet hydrométrique est composé d’une hélice mobile fixée au bout d'une tige et que l'on plonge dans l'écoulement. La vitesse de rotation de l'hélice est reliée à la vitesse de l’eau dans son voisinage (''Figure 2''). La vitesse de rotation de l’hélice est mesurée grâce à un compteur à impulsions, électrique, magnétique ou optique selon les modèles. Les formes de l’hélice et de son support sont étudiées pour perturber le moins possible l’écoulement et en particulier pour éviter de modifier la vitesse que l'on souhaite mesurer. Les moulinets font l'objet de la [https://www.boutique.afnor.org/fr-fr/norme/iso-25372007/hydrometrie-moulinets-a-element-rotatif/xs019436/113637 norme NF ISO 2537-2007] qui définit en particulier les modalités de leur étalonnage.
[[File:vélocimètre_moulinet_jlbk1.PNG|600px|center|thumb|''Figure 2 : schéma de principe d'un moulinet à hélice ; Source : Bertrand-Krajewski ''et al.'' (2008).'']]
Il existe différents types d'appareils, plus ou moins lourds ou imposants, et donc plus ou moins susceptibles de perturber l'écoulement (saumon, micro-moulinet, etc.) (''figure 3'').
[[File:moulinet.JPG|600px|center|thumb|''Figure 3 : Micromoulinet ; Source : [[Mesures de débit]]''.]]
===Calcul de la vitesse moyenne de l'écoulement à partir de la valeur mesurée===
La valeur mesurée par un moulinet est une valeur locale. En multipliant les mesures en différents points de l'écoulement il est donc possible d'établir des profils de vitesse et d'en déduire la valeur de la vitesse moyenne. Les principes mis en œuvre pour calculer cette valeur de vitesse moyenne à partir des différentes mesures locales sont présentés dans l'article [[Courantomètre (HU)|courantomètre]].
===Avantages et inconvénients===
Les moulinets sont principalement utilisés pour réaliser des [[Jaugeage (HU)|jaugeages]] et ainsi établir des [[Courbe de tarage (HU)|courbes de tarage]] pour des sections de contrôle en rivières. En hydrologie urbaine, et plus particulièrement en réseau d’assainissement, les moulinets sont plus difficiles à utiliser, d'une part en raison des divers objets et matières transportés par l’écoulement et susceptibles de bloquer l’hélice et d'autre part du fait des difficultés d'accès et du caractère intrusif et perturbateur du dispositif.
Pour en savoir plus : [[Moulinet (HU)]].
==Mesurage par courantomètre électromagnétique==
===Principes de la méthode===
Les courantomètres électromagnétiques reposent sur le principe qu'un liquide conducteur traversant un champ magnétique crée une différence de potentiel proportionnelle à la vitesse d'écoulement. Les appareils de ce type utilisent donc un champ magnétique d'intensité constante, généré par une bobine intégrée dans l'appareil. La tension produite est mesurée par deux électrodes également moulées dans la sonde.
Comme indiquée, cette tension est proportionnelle à la vitesse de déplacement du fluide conducteur, mais également à la puissance du champ magnétique et à la distance séparant les électrodes, ce qui permet d'ajuster la sensibilité (voir relation (4)).
La sonde, à laquelle on donne une forme hydrodynamique pour perturber le moins possible l'écoulement, est de taille réduite (quelques centimètres de diamètre et une dizaine de cm de longueur). Pour effectuer les mesures, on la fixe à l'extrémité d'une tige graduée qui permet de connaître sa profondeur dans l'écoulement (''figure 4'').
[[File:courantomètre_electromagnetique.png|400px|center|thumb|''Figure 4 : Exemple de courantomètre électromagnétique portable ; Source : https://www.valeportwater.co.uk/content/uploads/2021/06/Valeport-Model-801-EM-Flowmeter-Datasheet_FR.pdf'']]
===Calcul de la vitesse moyenne à partir des valeurs mesurées===
La valeur mesurée par un courantomètre est une valeur locale. En multipliant les mesures en différents points de l'écoulement il est donc possible d'établir des profils de vitesse et d'en déduire la valeur de la vitesse moyenne. Les principes mis en œuvre pour calculer cette valeur de vitesse moyenne à partir des différentes mesures locales sont présentés dans l'article [[Courantomètre (HU)|courantomètre]].
La plupart des dispositifs de ce type sont donc portables et mis en œuvre pour des opérations de [[Tarage (HU)|tarage]] ou de calibration d'un autre type de vélocimètre. Il est cependant possible d'utiliser des sondes fixes utilisant ce principe et positionnée au fond ou en paroi (voir le § ''Vélocimètre électromagnétique'').
===Avantages et inconvénients===
Ce type de sonde, peu intrusive du fait de sa petite taille et très légère (quelques centaines de grammes), est bien adaptée pour mesurer des champs de vitesse dans des conduites d'assainissement ou dans les petits cours d'eau. L'absence de pièces mobiles limite le risque de perturbations dues aux déchets transportés dans l'écoulement. L'eau pure étant un très mauvais conducteur, ce type de solution fonctionnera d'autant mieux que l'écoulement sera chargé en sel dissous.
L'étendue de mesure, variable selon les modèles, commence généralement à quelques cm/s et peut aller jusqu’à 6 à 10 m/s. Elle est généralement suffisante, sauf pour les écoulements très rapides. La précision est de l'ordre de 1% et l'étalonnage est très stable dans le temps. Le cycle de mesurage étant généralement inférieur à 1 seconde, la vitesse de poursuite est largement suffisante.
==Mesurage du temps de transit par des sondes à ultrasons==
===Principes de la méthode===
Le principe consiste à mesurer la différence de vitesse d'une onde ultrasonore selon qu'elle se déplace dans le sens de l'écoulement (dans ce cas la vitesse de l'eau s'ajoute à la vitesse de l'onde) ou en sens contraire (dans ce cas la vitesse de l'eau se retranche à la vitesse de l'onde). Pour ceci on place deux sondes face à face, alignées suivant une droite parallèle à la pente du fond et biaise par rapport à l’axe principal (''figure 5''). Ces sondes sont alternativement émettrices et réceptrices et on compare le temps mis par l'onde dans le sens amont-aval () avec le temps mis par l'onde dans le sens aval-amont (). On désigne cette méthode sous le nom de "méthode du temps de transit" ou de "méthode du temps de vol".
[[File:velocimètre_corde_ultra_sonb.PNG|600px|center|thumb|''Figure 5 : Schéma de principe d'un dispositif de mesurage de la vitesse par ultrasons en utilisant la méthode du transit.'']]
Comme la distance est la même dans les deux sens, le temps de parcours est inversement proportionnel à la vitesse de transmission du signal. Connaissant la distance entre les deux sondes et l'angle entre la corde joignant les deux sondes et l'axe de l'écoulement, on peut donc facilement en déduire une vitesse moyenne de l'écoulement le long du trajet suivi par le train d'ondes, soit par la relation (1), soit par la relation (2).
Avec :
* : vitesse moyenne de l'écoulement dans la direction moyenne de l’écoulement (m/s) ;
* : distance entre les deux sondes (m) ;
* : angle entre l'axe du train d'onde et la direction moyenne de l’écoulement, généralement parallèle aux bords de la conduite ou du canal :
* : temps mis par l'onde dans le sens amont-aval (s) ;
* : temps mis par l'onde dans le sens aval-amont (s) ;
* : différence de temps de transit entre les deux sens de propagation (m/s).
Il faut noter que ces relations ne font pas apparaitre de façon explicite la vitesse de propagation des ondes dans l'eau ; les valeurs de vitesse ainsi calculées sont donc en théorie indépendantes de cette vitesse de propagation, donc de la température de l'eau.
Cette méthode est décrite dans la norme [https://www.iso.org/fr/standard/62152.html NF ISO 6416-2017].
===Calcul de la vitesse moyenne de l'écoulement à partir de la valeur mesurée===
Comme indiqué précédemment, cette méthode fournit une valeur de vitesse moyenne de l'écoulement le long du trajet suivi par le train d'ondes. Ce mesurande n'est pas directement utile car il ne correspond seul à aucune valeur d'intérêt, et, en pratique, on essaye surtout d'utiliser cette information pour calculer la vitesse moyenne de l'écoulement dans une section droite.
Si les deux sondes sont bien installées à la même profondeur, la valeur mesurée intègre des valeurs de vitesses d'écoulement qui peuvent varier de l'amont vers l'aval (entre les deux sondes, ''figure 6''), mais également sur la section transversale à l'écoulement (''figure 7'')
[[File:velocimètre_corde_ultra_son2b.PNG|600px|center|thumb|''Figure 6 : Vitesses des filets liquides le long de la trajectoire suivie par le faisceau d'ondes.'']]
[[File:velocimètre_corde_ultra_son1b.PNG|600px|center|thumb|''Figure 7 : La distribution des vitesses dans une section droite de l'écoulement dépend de la profondeur et de la distance au bord ; selon la profondeur des sondes, les valeurs de vitesse des filets liquides traversés par le faisceau d'ondes sont différentes.'']]
On peut le plus souvent faire l'hypothèse que les profils en travers des vitesses sont voisins dans toutes les sections droites d'écoulement situés entre les deux sondes. En effet, les deux sondes sont généralement assez proches et on cherche à les installer sur une portion de bief sur laquelle l'écoulement reste sensiblement homogène.
En revanche, les valeurs des vitesses varient, à une même profondeur, selon la position dans la section transversale et le rapport entre la moyenne des vitesses sur une corde et la moyenne des vitesses dans une section droite dépend de la profondeur de la corde (voir aussi ''figure 7''). La relation entre le mesurande et la valeur d'intérêt est donc compliquée et variable selon la hauteur d'eau dans la conduite ou le canal, et donc le débit.
D'autre part, pour obtenir une bonne relation, il serait souhaitable que la corde de mesure soit située juste sous la surface libre de façon à passer par la zone où la vitesse est maximum (''figure 7''). Mais il n'est pas possible de placer les sondes trop haut car sinon elles seraient hors d'eau pour les faibles débits.
Une solution possible consiste à installer plusieurs paires de sondes à différentes hauteurs de façon, d'une part à toujours avoir des sondes immergées, et, d'autre part, à calculer des vitesses moyennes transversales à différentes profondeurs. Cette solution, associée à une mesure de la hauteur d'eau est efficace mais nécessite des installations plus compliquées et plus couteuses. La [https://www.iso.org/fr/standard/62152.html norme ISO 6416] fournit des recommandations pour ce type de mesure.
===Avantages et inconvénients===
La méthode des temps de transit est une méthode ancienne et très bien maîtrisée. Les incertitudes sur le mesurande sont faibles, l'étendue de mesures couvre largement la variabilité des vitesses que l'on peut observer et la vitesse de poursuite est également largement suffisante.
Les principaux inconvénients de cette technique sont les suivants :
* incertitudes associées au calcul de la vitesse moyenne à partir de la vitesse mesurée sur une corde (voir § précédent) ;
* difficulté d'installation des sondes (surtout dans les grands collecteurs d'assainissement ou les cours d'eau), en particulier associée à la difficulté à bien aligner les sondes ;
* perte ou dispersion du signal en cas d'écoulement très chargé en [[Matières en suspension / MES (HU)|matières en suspension]] ou de la présence de bulles d'air ;
* risque de salissure des sondes lorsqu'elles ne sont pas immergées en permanence.
==Mesurage par effet Doppler==
Les vélocimètres à effet Doppler sont bien connus des automobilistes puisque c'est ce type de technologie qui est utilisé par les radars installés au bord des routes pour contrôler la vitesse des véhicules. Le principe de ce type de mesurage est assez simple : on envoie une onde de fréquence connue vers un objet en mouvement et on mesure la fréquence de l'onde retour qui s'est réfléchie sur l'objet. Celle-ci va être raccourcie ou augmentée selon que l'objet se rapproche ou s'éloigne de la sonde. La vitesse de l'objet est directement liée au décalage de fréquence entre l'onde émise et l'onde réfléchie.
Nota : Il est bon de garder à l’esprit que la vitesse du son dans l’eau (1 500 m/s, soit environ 5 400 km/h) est plus de 4 fois supérieure à celle dans l’air (344 m/s, soit environ 1 240 km/h).
En hydrologie, ce principe peut être utilisé de trois façons différentes, utilisant des longueurs d'onde (inverses de la fréquence) variées, pour mesurer la vitesse d'un écoulement :
* soit ce sont les particules en suspension ou les bulles d’air transportées par l’écoulement qui constituent les objets réfléchissants et on peut mettre en œuvre :
** soit une '''sonde ultrasonique''', le plus souvent immergée (''figure 8''),
** soit une '''sonde laser aérienne ''', émettant, généralement dans l'infra-rouge, un rayonnement très fin et suffisamment énergétique pour pénétrer dans le liquide (''figure 9'') ;
* soit on utilise la rugosité de la surface du liquide pour réfléchir le faisceau d'onde et on met en œuvre une '''sonde radar aérienne''' émettant des ondes radio de longueurs d'onde millimétriques ou centimétriques (''figure 10'').
[[File:Velocimètre_doppler_ultrason.PNG|600px|center|thumb|''Figure 8 : Principe général du mesurage de la vitesse d’écoulement par une sonde Doppler immergée à ultrasons.'']]
[[File:velocimètre_doppler_laser.PNG|600px|center|thumb|''Figure 9 : Principe général du mesurage de la vitesse d’écoulement par une sonde laser aérienne.'']]
[[File:velocimètre_doppler_radar.PNG|600px|center|thumb|''Figure 10 : Principe général du mesurage de la vitesse d’écoulement par une sonde radar aérienne.'']]
Ces trois solutions techniques sont présentées dans les § suivants.
===Mesurage par sonde ultrasons immergée===
====Principes de la méthode====
La sonde, qui fonctionne alternativement en émission puis en réception, est toujours immergée, généralement face à l'écoulement (c'est à dire tirant de l'aval vers l'amont). Elle peut être fixée (voir ''figure 12'') :
* sur le radier de la conduite ou du canal, c'est le cas le plus fréquent ;
* sur la paroi, parfois juste au-dessus du radier (par exemple dans le cas de présence de dépôts), ou parfois beaucoup plus haut ;
* sur un dispositif flottant ; la mesure est alors faite à partir de la surface, voir ''figure 11'' et ''figure 15'' ainsi que le nota.
[[File:Velocimètre_doppler_ultrason_surface1.PNG|600px|center|thumb|''Figure 11 : Les sondes Doppler à ultrasons peuvent être installées sur un dispositif flottant en surface.'']]
Nota : La solution de pose de la sonde sous flotteur a été testée à Marseille dès le milieu des années 1990 et a fait l'objet du dépôt d'un brevet à l’INPI (SERAM et Laplace, 1995) (brevet maintenant expiré).
La sonde émet une onde ultrasonore sinusoïdale (pour la plupart des produits commerciaux de fréquence comprise entre 300 kHz et 2 Mhz), avec un angle généralement compris entre 30° et 65° par rapport à la direction de l’écoulement. Cette onde se propage en formant un cône qui définit le volume de mesure exploré, lequel dépend de la puissance et de la position de la sonde, de l'angle solide dans lequel le faisceau est émis, mais aussi de la charge en matières en suspension, etc. (voir ''figure 12'').
[[File:Velocimètre_doppler_ultrason_implantation.PNG|800px|center|thumb|''Figure 12 : Selon l'implantation de la sonde, le volume exploré à l'intérieur duquel on mesure le champ de vitesse est différent.'']]
L’onde ultrasonore est réfléchie vers le capteur, principalement par les particules en suspension ou les bulles d'air transportées dans l'écoulement (voir Nota 1). Or, la vitesse de l'écoulement varie dans une section transversale ; l'onde réfléchie va donc être décalée en fréquence de façon différente selon la position des particules qui l'ont réfléchie. De plus, l'eau et les particules absorbent et diffusent une partie de l'énergie, celle-ci diminue au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la sonde (''figure 13'').
[[File:velocimètre_doppler_ultrasons_birgrand.PNG|800px|center|thumb|''Figure 13 : Vitesses des particules dans le volume exploré par le faisceau d'ultrasons ; Source : Birgand ''et al.'' (2005).'']]
L’information brute recueillie par le capteur se présente donc sous forme d’un spectre d’énergie reçue en fonction de la vitesse (en réalité de la fréquence) (''figure 14''). Cette information complexe nécessite un traitement numérique et statistique pour la rendre exploitable et la convertir en une valeur unique de vitesse. En effet, les spectres varient en fonction de très nombreux facteurs : débit, géométrie du collecteur, volume exploré, concentration en matières en suspension, granulométrie et répartition des matières en suspension, etc. Les diverses méthodes employées par les fabricants reposent sur des techniques d’analyse spectrale et de transformées de Fourier (Bertrand-Krajewski ''et al.'', 2008). Elles conduisent à un résultat qui peut être, selon les cas :
* la vitesse moyenne observée dans le volume de mesure ;
* la vitesse la plus fréquente observée dans le volume de mesure ;
* la vitesse maximale observée dans le volume de mesure.
[[File:velocimètre_doppler_ultrasons_jlbk1.PNG|600px|center|thumb|''Figure 14 : Forme idéalisée d’un spectre d’énergie reçue en fonction de la vitesse ; Source : Bertrand-Krajewski ''et al.'' (2008).'']]
Chaque fabricant a développé et mis au point une technique de traitement du signal, laquelle est généralement brevetée. De ce fait, elle n’est pas publiée ni expliquée en détail à l’utilisateur. Ce dernier est donc contraint de "faire confiance" au fabricant (Bertrand-Krajewski ''et al.'', 2008), ou, à défaut, de procéder lui-même à un étalonnage (voir § calcul de la vitesse moyenne à partir du mesurande).
Nota 1 : Cette technique de mesure admet donc comme hypothèse fondamentale que les particules ou les bulles d’air, qui constituent l'obstacle sur lequel se réfléchit le train d'ondes, se déplacent avec la même vitesse que l'eau.
Nota 2 : Il existe également des dispositifs fonctionnant sur le principe du Doppler pulsé. Dans ce cas le train d’ondes ultrasonores est émis sous la forme d'impulsions de durée courte et espacées dans le temps. Lorsque le capteur fonctionne en réception, il ne reçoit que les échos générés par une impulsion particulière, le temps de retour étant proportionnel à la distance entre la source et les particules ayant réfléchi le signal. Si, en plus, le signal est émis dans un cône d'angle solide fermé, chaque impulsion explore alors un petit volume d’eau, à la fois en termes de distance et de surface. Cette technique par Doppler pulsé est utilisée par certains [[Courantomètre (HU)|courantomètres]]. On peut ainsi procéder au mesurage de vitesses "ponctuelles" et échantillonner le champ de vitesse.
Nota 3 : la plupart des fabricants fournissent avec la valeur dite de vitesse, un indicateur de qualité de cette même vitesse (souvent exprimée sous la forme de %), mais les modalités du calcul ne sont généralement pas publiées. Certains produits fournissent plusieurs indicateurs, généralement basés sur une notion de SNR (pour ''Signal Noise report'', soit Rapport Signal Bruit) caractérisant le rapport entre la puissance reçue et la puissance émise ou encore la portion du spectre reçu pouvant être exploitable.
Nota 4 : une sonde de température permet généralement de tenir compte de cette variable et de corriger automatiquement la vitesse du son dans l’eau ; en théorie il faudrait également tenir compte de la conductivité et/ou de la salinité, mais l'influence de ces variables reste la plupart du temps négligeable.
====Calcul de la vitesse moyenne à partir des valeurs mesurées====
Comme indiqué précédemment, ce type de dispositif fournit un spectre d’énergie reçue en fonction de la vitesse (''figure 13''). Ce signal fait tout d'abord l'objet d'un premier traitement pour produire une grandeur représentative de la vitesse à l'intérieur du volume de mesure (vitesse moyenne dans le volume observé, vitesse la plus fréquente ou vitesse maximale). Il est ensuite nécessaire de traiter cette grandeur représentative pour en déduire la valeur de la vitesse moyenne de l'écoulement dans une section droite. Ce traitement est encore plus délicat que le précédent, ceci pour deux raisons principales:
* selon la hauteur d'eau et les conditions d'écoulement, la répartition des vitesses dans un même volume exploré peut varier de façon importante ; la relation entre la grandeur représentative choisie pour un même volume exploré et la valeur moyenne de la vitesse d'écoulement n'est donc pas constante ;
* la distance à laquelle va parvenir le faisceau incident dépend en particulier de la concentration en matières en suspension ; le volume exploré varie donc également en permanence en fonction de cette concentration.
En pratique, on cherche souvent une relation linéaire entre les deux grandeurs (mesurande et vitesse moyenne recherchée). Les meilleures relations semblent celles qui font intervenir la vitesse maximale dans le volume exploré. La plupart des fabricants dont les produits mesurent la vitesse maximale dans le cône de liquide, utilisent simplement un coefficient de pondération empirique pour en déduire une vitesse moyenne.
Pour une relation de ce type, positionner la sonde sur un flotteur à la surface de l'écoulement semble la meilleure solution (''figure 15''). En effet, comme la vitesse maximale dans une section droite est souvent proche de la surface, cette position donne les meilleures chances que la vitesse maximale mesurée dans le volume exploré soit voisine de la vitesse maximale dans l'écoulement, ceci quelle que soit la hauteur d'eau (voir aussi ''figure 12'').
[[File:velocimètre_capteur_surface_seram.PNG|400px|center|thumb|''Figure 15 : vue depuis l’aval d’un capteur Doppler sous flotteur ; crédit photo Dominique Laplace - SERAM ; Source : Bertrand-Krajewski ''et al.'' (2008).'']]
Les incertitudes sur la valeur finale recherchée, à savoir la vitesse moyenne, restent cependant importantes (souvent plus de 10 %, et parfois même beaucoup plus). L’appareil de mesure doit être fourni avec un certificat d’étalonnage ou un constat de vérification établi dans les règles de l’art et dans des conditions de mesure précisées. Un étalonnage ''in situ'' utilisant une autre méthode (pour peu qu’il soit réalisable) peut permettre d'améliorer la qualité de la relation entre la grandeur représentative choisie et la grandeur recherchée (vitesse moyenne de l'écoulement dans une section droite) ; la norme ISO 15 769 indique dans ce cas une incertitude sur le débit de l’ordre de 5% à 10%.
====Avantages et inconvénients====
Cette technologie est ancienne est bien maîtrisée par de nombreux fabricants. L'étendue de mesures couvre largement la variabilité des vitesses que l'on peut observer et la vitesse de poursuite est également largement suffisante. Les sondes peuvent être intégrées avec une sonde mesurant la hauteur d'eau, sur des supports préfabriqués dont les gabarits s'adaptent à la forme des conduites, ce qui facilite leur pose. Le coût de l'appareil et de son installation sont donc réduits. Les opérations de maintenance sont facilitées et, le capteur étant immergé en permanence, le contrôle de son fonctionnement ''in situ'' est toujours possible.
Dans le cas des systèmes d’assainissement, ce type de dispositif est particulièrement adapté pour les sites pour lesquels il n’existe aucune relation entre la hauteur et le débit (ce qui est très souvent le cas des sites de [[Diagnostic permanent (HU)|diagnostic permanent]] pour lesquels il n’existe en général aucune [[Section de contrôle (HU)|section de contrôle]] hydraulique), ou pour les sites pour lesquelles le comportement hydraulique est inconnu. En permettant d’accéder à la fois à la vitesse et à la hauteur, ce type de sonde constitue un très bon moyen d’acquérir des données pour une analyse hydraulique.
Cependant, outre l'incertitude importante sur la valeur déduite de vitesse moyenne que nous venons d'indiquer, elle présente plusieurs inconvénients :
* elle ne peut fonctionner que si la concentration en matières en suspension est suffisante (aucune mesure n'est possible en eau claire) ; les indicateurs de qualité tenant compte du nombre d'échos reçus peuvent donc fournir des indications intéressantes ;
* elle n'explore qu'un volume restreint, ce qui est rédhibitoire lorsque la section mouillée ou la largeur de la surface libre devient grande ;
* la sonde est vulnérable lors d’opération de [[Curage (HU)|curage]] ou d’[[Hydrocurage (HU)|hydrocurage]] lorsqu’elle est implantée en radier ou en paroi ;
* la sonde est soumise à l’ensablement lorsqu’elle est implantée en fond d’écoulement.
Elle ne convient donc pas au mesurage de la vitesse dans les cours d'eau.
Cette technique peut en revanche être souvent préconisée en réseau d'assainissement, pour les sites de mesure provisoires comme pour les sites permanents.
===Mesurage par sonde laser aérienne===
====Principes de la méthode====
Il s'agit de l'adaptation, récente en hydrologie, d'une technologie utilisée dans d'autres domaines (par exemple mesurage de la vitesse des gaz, par ensemencement en particules, ou mesurage de la vitesse d'un flux sanguin, par suivi des globules rouges). Le principe consiste à utiliser un faisceau très étroit (faisceau laser) et de très petite longueur d'onde (rayonnement infrarouge) produit par une sonde placée au-dessus de l'écoulement (''figure 9''). Ce type de rayonnement, très énergétique, peut pénétrer dans la veine liquide et se réfléchir dès qu'il rencontre une particule ou une bulle d'air. La sonde se met alors en mode réception et mesure le temps mis pour effectuer le trajet aller-retour ainsi que le décalage en fréquence entre l'onde émise et l’onde réfléchie. Il en déduit la vitesse locale de l'écoulement qu'il associe à la position et à la vitesse de la particule au point de mesure.
Ce faisceau peut être focalisé dans une direction précise pour mesurer la vitesse des particules à différentes distances (donc à différentes profondeurs si l'on connaît la hauteur d'eau), ce qui permet de reconstituer le profil en travers des vitesses ou de déterminer des grandeurs spécifiques comme, par exemple, la vitesse maximum (''figure 15''). Le capteur est placé au-dessus de l'écoulement qu'il ne perturbe donc pas. La profondeur à laquelle ces ondes peuvent pénétrer dépend de la constante diélectrique du liquide ; dans les réseaux d'assainissement la profondeur de pénétration dans l’eau est estimée entre 15 et 20 cm.
Cette technique de mesurage admet également comme hypothèse fondamentale que les particules ou les bulles d’air se déplacent avec la même vitesse que l'eau.
[[File:velocimètre_doppler_laserflow.PNG|800px|center|thumb|''Figure 14 : Différentes possibilités d'utilisation d'un vélocimètre laser à effet Doppler ; Source : https://igz.ch/wp-content/uploads/laserflow-brochure-datasheets-low-res.pdf'']]
====Calcul de la vitesse moyenne====
Comme la technologie est capable d'explorer le champ de vitesse dans une section transversale, le calcul de la vitesse moyenne de l'écoulement dans cette section peut se faire de façon satisfaisante. Il est important de noter que ces traitements nécessitent de connaître la profondeur de chaque point de mesure et donc un mesurage de la hauteur d'eau en parallèle à celui du champ de vitesse. Les fabricants proposent donc des capteurs intégrés (vitesse-hauteur) qui permettent le calcul direct du débit, la section mouillée pouvant être déduite de la valeur de la hauteur d'eau.
Nota : Pour les systèmes intégrés de mesure du débit, certains fabricants proposent de mettre en œuvre une troisième sonde, permettant le mesurage de la vitesse par une autre technologie, et utilisable lorsque la conduite est en charge et que la sonde laser est noyée.
====Avantages et inconvénients====
Il s'agit d'une technologie relativement récente et avec encore assez peu de retours d'expériences opérationnelles, même si les premiers essais ont commencé au début des années 2010.
Cette solution n'est pas intrusive et ne perturbe donc pas l'écoulement. Les incertitudes sur le mesurande sont très faibles, l'étendue de mesures couvre largement la variabilité des vitesses que l'on peut observer et la vitesse de poursuite est également largement suffisante. Le calcul de la vitesse moyenne de l'écoulement, à partir des mesures locales effectuées, peut se faire dans de très bonnes conditions (voir article [[Courantomètre (HU)]] pour le principe des calculs).
===Mesurage par sonde radar aérienne===
====Principes de la méthode====
La sonde radar est positionnée au-dessus de l'écoulement. Elle émet un faisceau d'ondes radio (longueur d'onde millimétrique ou centimétrique) dans un cône d'une ouverture de l'ordre de 10° et faisant un angle de 30° à 60° par rapport à l'axe de l'écoulement (''Figure 9''). La surface illuminée par le faisceau se présente sous la forme d'une ellipse. Elle réfléchit une partie de l'énergie du fait de la rugosité de surface et de la différence de densité entre l'eau et l'air. La sonde se met alors en mode réception, mesure le décalage de fréquence entre le flux émis et le flux reçu et en déduit la vitesse moyenne de surface sur la zone échantillonnée.
Les vélocimètres de ce type sont généralement couplés à un limnimètre permettant le mesurage de la hauteur dont on déduit la section mouillée et donc le débit.
Nota : La fréquence actuelle la plus utilisée est de 24 Ghz. Il est également possible d'utiliser d'autres longueurs d'onde, en particulier dans le visible, les infrarouges ou les ultraviolets (sondes lidar).
Les fabricants fournissent généralement un kit de montage avec un support pour fixer l'appareil (vélocimètre et limnimètre associé) (''figure 15'').
[[File:velocimètre_radar_DL-SERAM.jpg|600px|center|thumb|''Figure 15 :Vélocimètre radar et limnimètre radar implantés en voûte ; Crédit photo Dominique Laplace - SERAM.'']]
Pour que le mesurande (vitesse moyenne de surface sur la zone échantillonnée) soit représentatif de la vitesse moyenne de surface, il est important que le petit axe de l'ellipse illuminée par le faisceau soit suffisant par rapport à la largeur de la surface libre, sans cependant que les bords du faisceau ne soit trop proches des parois. La largeur de ce petit axe varie en fonction de l'angle d'ouverture du faisceau, de l'angle d'inclinaison du faisceau par rapport à l'axe de l'écoulement, mais également de la distance entre la sonde et la surface libre. Or cette distance dépend de la hauteur d'eau dans la conduite ou dans le cours d'eau. Il faut donc bien choisir les conditions d'implantation de la sonde pour que les mesures obtenues soient représentatives de la grandeur recherchée, ceci pour la plage de remplissage de la conduite (ou la hauteur d'eau dans le canal) désiré. A titre d'exemple, le tableau de la ''figure 16'' indique les valeurs du petit axe de l'ellipse pour un angle d'ouverture du faisceau de 10°, différentes inclinaisons de l'axe du faisceau et différentes distances verticales entre la sonde et la surface de l'écoulement.
[[File:Vélocimètre_radar_taille_ellipse.PNG|400px|center|thumb|''Figure 16 : Valeur du petit axe de l'ellipse éclairée pour un angle d'ouverture du faisceau de 10°, différentes inclinaisons de l'axe du faisceau et différentes distances verticales entre la sonde et la surface de l'écoulement.'']]
====Calcul de la vitesse moyenne à partir des valeurs mesurées====
La vitesse moyenne dans une section transversale de l'écoulement est liée par une relation relativement stable à la vitesse moyenne de surface, en particulier dans les réseaux d'assainissement.
On retient généralement une relation de la forme :
Avec :
* : vitesse moyenne de l'écoulement (m/s) ;
* : vitesse moyenne de surface (m/s) ;
* : hauteur d'eau (m) ;
* : coefficient de proportionnalité fonction de la hauteur d'eau (sans dimension).
Les fabricants proposent généralement des valeurs pour le coefficient . Il est cependant préférable de faire un calage sur place de façon à ajuster ce coefficient, si possible pour différentes valeurs de hauteur d'eau (soit par [[Traçage (HU)|traçage]], soit avec un autre type de dispositif, courantomètre par exemple, voir § suivant).
====Avantages et inconvénients====
Cette technique présente l'intérêt de ne pas être intrusive. Elle ne modifie donc pas l'écoulement et comme l'appareil n'est pas immergé il se salit moins et sa maintenance est facilitée. Les appareils installés en voûte dans un réseau d'assainissement sont cependant proéminents et risquent d'être détériorés, par exemple lors de l'entretien des collecteurs par les outils de curage ou en cas de [[Mise en charge (HU)|mise en charge]] du réseau.
Les incertitudes sur le mesurande sont acceptables, l'étendue de mesures couvre largement la variabilité des vitesses que l'on peut observer et la vitesse de poursuite est également largement suffisante. Il est cependant nécessaire que la surface de l'eau ne soit pas lisse pour que ce type de mesure soit efficace (la hauteur des vaguelettes doit créer une rugosité apparente au moins de l'ordre du mm).
Nota : Les radars de surface existent également en version portable, ce qui est particulièrement pratique pour effectuer des mesures de contrôle des installations fixes.
==Mesurage par dispositif électromagnétique==
===Principes généraux de la méthode===
Les vélocimètres électromagnétiques, comme les courantomètres électromagnétiques présentés plus haut, reposent sur le principe qu'un liquide conducteur traversant un champ magnétique crée une force électromotrice (fem) proportionnelle à la vitesse d'écoulement (relation (4)). Les appareils de ce type utilisent donc un champ magnétique d'intensité constante, généré par une ou plusieurs bobine(s). Deux électrodes mesurent la tension générée lorsque le fluide circule dans ce champ.
Avec :
* : Vitesse mesurée (m/s) ;
* : Différence de potentiel mesurée aux électrodes (V) ;
* : Intensité du champ magnétique (T) ;
* : Distance entre les électrodes (m) (généralement égale au diamètre de la conduite) ;
* : coefficient de proportionnalité (sans dimension, théoriquement égal à 1).
L'eau pure étant un très mauvais conducteur, cette solution fonctionnera d'autant mieux que l'écoulement sera chargé en sel dissous (ce qui est facilement vérifié dans les réseaux d'assainissement). Ce type de dispositif a été développé à l'origine pour les écoulements en charge (conduites d'eau potable en particulier). Son application a été étendue aux écoulements à surface libre avec différents types d'adaptation :
* Mesurage d'une (ou de plusieurs) vitesse(s) locale(s) à l'aide d'un ou plusieurs courantomètre(s) fixé(s) au fond et/ou sur les paroi(s) (''figure 17'') ;
* Mesurage direct d'une vitesse moyenne en insérant un vélocimètre sous la forme d'un tronçon spécifique de même diamètre que (ou de diamètre inférieur à) la conduite (cette solution n'est possible qu'en réseau) (''figures 18 et 19'') ;
* Mesurage direct d'une vitesse moyenne en insérant un dispositif adaptable en bas du profil de la conduite ou du canal (''figure 20'').
Ces trois solutions sont présentées ci-dessous.
===Mesurage d'une ou de plusieurs vitesses locales===
Le mesurage de la vitesse locale est effectué au moyen d’un capteur électromagnétique à électrodes affleurantes, dont la forme générale est semblable à celles des sondes Doppler. Fixé sur le radier ou la paroi du collecteur, le capteur détermine la vitesse locale à son voisinage immédiat (''figure 17'').
[[File:velocimètre électromagnétique 1.png|600px|center|thumb|''Figure 17 : Exemple d'implantation d'un courantomètre électromagnétique à poste fixe ; Source : Bertrand-Krajewski ''et al'' (2008).'']]
====Calcul de la vitesse moyenne à partir des valeurs mesurées====
La valeur moyenne est déterminée à partir de la valeur locale de la vitesse et d’un mesurage conjoint de la hauteur d’eau en faisant une hypothèse sur la forme du profil vertical de vitesse au droit du capteur (on adopte généralement un profil logarithmique) (''figure 17''). Comme la zone échantillonnée par ce type de technologie est très réduite et très proche du radier ou de la paroi, la vitesse locale est souvent très faible et l'incertitude sur la vitesse moyenne est très grande.
====Avantages et inconvénients====
En plus de l'incertitude sur la vitesse moyenne, cette solution présente un autre inconvénient important, en particulier si le capteur est positionné au radier : Les électrodes s'encrassent rapidement, ce qui perturbe le mesurage et nécessite des nettoyages très fréquents. De plus, la sonde implantée en radier est soumise à l’ensablement et elle est vulnérable lors d’opération de curage ou d’hydrocurage. Cette solution n'est donc pas conseillée.
===Mesurage avec une section spécifique===
Cette solution est directement inspirée des techniques utilisées dans les conduites fonctionnant en charge. Elle consiste à insérer dans la canalisation une section spécifique qui se présente sous la forme d'une manchette compacte constituant le vélocimètre (''figures 18 et 19''). Deux solutions sont possibles pour adapter le dispositif aux écoulements à surface libre.
[[File:vélocimètre_électromagnétique_jlbk.PNG|600px|center|thumb|'' Figure 18 : Schéma de principe d'un vélocimètre électromagnétique ; Source : GRAIE (2014b).'']]
Dans le premier cas on utilise le même dispositif que pour les écoulements en charge. Le champ magnétique d'intensité constante est généré par deux bobines, une de chaque côté du tube de mesure. Deux électrodes situées sur la paroi intérieure du tube détectent la tension générée lorsque le fluide circule dans ce champ. Le tube de mesure et les électrodes sont isolés électriquement du fluide par un revêtement non conducteur (par exemple en caoutchouc, téflon, etc.) (https://www.fr.endress.com/fr/instrumentation-terrain-sur-mesure/debit-mesure-produits/mesure-debit-debitmetre-electromagnetique) (''figure 18''). La mesure de la différence de potentiel permet de déterminer une valeur de vitesse moyenne dans la section de l'écoulement. On complète le mesurage de la vitesse par un mesurage de la hauteur d'eau mettant en œuvre une autre technologie.
Dans le second cas, la paire unique d’électrodes sur un diamètre est remplacée par trois paires d’électrodes sur la moitié inférieure de la conduite. Les forces électromotrices induites varient avec le remplissage, ce qui permet de déterminer à la fois la vitesse et la hauteur d’eau.
Nota : Le schéma d'installation proposé par la ''figure 19'' est souvent peu efficace. En effet, l’engouffrement dans la conduite 2 conduit en général à un écoulement torrentiel qui se maintient jusqu’au débitmètre et qui rend la mesure très imprécise (faible hauteur, surface libre agitée).
[[File:Capture d’écran 2024-07-19 115523.png|800px|center|thumb|'' Figure 19 : Schéma de principe de l'installation d'un débitmètre électromagnétique dans un réseau d'assainissement ; Source : Bertrand-Krajewski ''et al'' (2008).'']]
====Calcul de la vitesse moyenne à partir des valeurs mesurées====
La vitesse des filets liquides varie selon leur position dans la section (voir ''figures 1, 8 ou 12''). Comme la force électromotrice induite est proportionnelle à la vitesse, chaque filet liquide produit donc un courant électrique avec une différence de potentielle différente. La force électromotrice globale mesurée par les deux électrodes résulte donc de la combinaison de l'ensemble de ces forces électromotrices élémentaires. Si le champ magnétique est parfaitement homogène dans la section mouillée (ce qui est le cas pour les bons appareils du commerce), et du fait de la relation linéaire entre fem et vitesse, la force électromotrice mesurée est également directement proportionnelle à la vitesse moyenne de l'écoulement. Il est cependant nécessaire que celui-ci soit monodimensionnel et symétrique par rapport à l’axe du collecteur. Cette condition impose d'avoir une longueur droite égale, au minimum (voir nota), à 10 fois le diamètre à l’amont et 5 fois le diamètre à l’aval de l'appareil. En pratique la qualité du mesurage est cependant peu affectée par le profil de vitesse. L'utilisation des vélocimètres électromagnétiques dans les conduites fermées est régie par la norme [https://www.boutique.afnor.org/fr-fr/norme/nf-en-iso-20456/mesurage-du-debit-des-fluides-dans-les-conduites-fermees-lignes-directrices/fa196815/84225 NF EN ISO 20456]
Nota : Dans le cas des écoulements à surface libre, une longueur droite égale à 10 fois le diamètre à l'amont de la sonde est souvent insuffisante pour stabiliser l'écoulement et permettre une mesure correcte du débit.
====Avantages et inconvénients====
L’étendue de mesure en vitesse va de 0,2 à 12 m/s et est généralement satisfaisante. L’incertitude de mesure sur la vitesse moyenne est un peu plus forte que pour les conduites en charge mais reste très faible (généralement inférieure à 0,5 %) à la condition que la hauteur d'eau dans la conduite soit au moins égale à 10% du diamètre. Même s'il est possible, lorsque les hauteurs d'eau sont plus faibles, de réduire la section du manchon inséré dans le réseau, celle solution n'est pas préconisée, en particulier pour les réseaux unitaires. Les fabricants fournissent généralement des tableaux ou des abaques permettant à l’utilisateur de choisir le modèle adapté à ses besoins.
Ce type d'appareil doit être installé à demeure et nécessite une intervention lourde sur le réseau. ll est par exemple recommandé d’aménager la chambre de mesures avec des regards de visite, des vannes ou des tampons permettant de réaliser facilement les opérations d’exploitation de ces ouvrages :
* vanne murale en amont pour isoler le point de comptage avec aménagement éventuel d’un by-pass vers l’aval ;
* regard avec piège à cailloux qui permet de l’aspiration des déchets de la surface avec un camion autocureur ;
* tampon de contrôle de la hauteur ou de nettoyage a l’aval immédiat de la manchette (GRAIE, 2014b).
Par ailleurs elle n'est pratiquement utilisable que pour les conduites circulaires de petits diamètres (moins de 500 à 600 mm).
Pour en savoir plus : https://www.fr.endress.com/fr/instrumentation-terrain-sur-mesure/debit-mesure-produits/mesure-debit-debitmetre-electromagnetique
===Mesurage avec un profilé===
La solution précédente n'est pas utilisable pour les cours d'eau, les canaux ouverts ou les conduites de grande dimension. Dans ce cas une solution consiste à installer les bobines et les électrodes sur un profilé que l'on positionne dans la partie basse du canal (''figure 20'').
[[File:velocimètre électromagnétique 2_jlbk.png|600px|center|thumb|''Figure 20 : Exemple d'implantation d'un courantomètre électromagnétique sur un profilé en bas de section ; Source : Bertrand-Krajewski ''et al'' (2008).'']]
Cette solution est citée ici pour mémoire car elle est très peu utilisée.
==Autres dispositifs==
===Mesurage par imagerie de surface===
L'idée consiste à mesurer la vitesse de l'écoulement en surface par le suivi automatique des éléments flottants. Les images captées par une caméra sont télétransmises et traitées par un logiciel capable de suivre automatiquement le déplacement des objets flottants et d'en déduire une vitesse de surface. Ce type de suivi est généralement associé à celui du niveau en installant une échelle limnimétrique dans le champ de la caméra.
L'avantage principal de cette solution est que, en cas d'alerte, un opérateur humain peut venir contrôler l'image et confirmer la mesure en temps réel, ce qui est difficile avec les autres dispositifs. La sensibilité de ce type de solution dépend de la qualité de l'image télétransmise (la sensibilité étant égale à la taille du pixel), et de la distance entre la caméra et l'écoulement. Elle nécessite la présence de flottants.
Ces installations ne posent pas trop de difficultés pour les cours d'eau. En revanche elles sont plus compliquées à installer dans une conduite fermée, avec un risque d'arrachage de la caméra en cas de mise en charge. De plus elles nécessitent souvent de mettre un éclairage pour pouvoir effectuer des mesurages pendant la nuit, ce qui impose une alimentation électrique.
===Règles à jauger===
Le principe des règles à jauger (ou perches à charge dynamique transparente) consiste à mesurer la différence de niveau d’eau entre l’amont et l’aval d’une planche opposée à l’écoulement et d'en déduire la vitesse en utilisant une relation d’étalonnage semi-empirique (''figure 21'').
[[File:règle_a_jauger_inrae.PNG|400px|center|thumb|''Figure 21 : Règle à jauger INRAE ; Source : https://riverhydraulics.riverly.inrae.fr/outils/instrumentation/regles-a-jauger.'']]
Il s'agit d'un outil de jaugeage peu coûteux (de l'ordre de 200€), facile et rapide à utiliser, fournissant des débits fiables dans les bonnes conditions d’application (vitesse supérieure à 20 cm/s sur la majeure partie de la section, stabilité de la règle dans l’écoulement).
==Synthèse et éléments sur les incertitudes==
Voir la [https://www.boutique.afnor.org/fr-fr/norme/nf-iso-25377/lignes-directrices-relatives-a-lincertitude-en-hydrometrie/fa195451/239163#AreasStoreProductsSummaryView norme NF ISO 25377]
Bibliographie :
* Birgand, F., Benoist, J.-C., Novince, E., Gilliet, N., Saint-Cast, P., Le Saos, E (2005) : Mesure des débits à l‘aide de débitmètres ultrasoniques Doppler ; Cas des petits cours d‘eau ruraux ; Ingénieries eau-agriculture-territoires, 2005, 41, p. 23-38 ; disponible sur https://hal.science/hal-00476108/document.
* GRAIE (2009) : Fiche Technique n°5 : Mesurage de la vitesse d’écoulement par effet Doppler ; disponible sur http://www.graie.org/graie/graiedoc/reseaux/autosurv/FT5_vitessedoppler-v4.pdf.
* GRAIE (2014a) : Fiche Technique n°7 : Mesurage de la vitesse sans contact par radar ; disponible sur http://www.graie.org/graie/graiedoc/reseaux/autosurv/FT7_vitessehauteurRadarvfin4-vf.pdf
* GRAIE (2014b) : Fiche Technique n°8b : Mesurage d'un débit en conduite non pleine par un débitmètre électromagnétique ; disponible sur https://asso.graie.org/portail/fiche-technique-n8b-mesurage-dun-debit-conduite-non-pleine-debitmetre-electromagnetique/
* Hauet, A. (2006) : Estimation de débit et mesure de vitesse en rivière par ''Large-Scale Particle Image Velocimetry'' ; thèse en Hydrologie ; Institut National Polytechnique de Grenoble (INPG) ; 322p. ; disponible sur https://theses.hal.science/tel-00116889/file/main_these.pdf.
* Reméniéras, G., Hermant, C. (1954) : Mesure électromagnétique des vitesses dans les liquides ; La houille blanche ; N° spécial B/1954 ; pp 732-746 ; disponible sur https://www.shf-lhb.org/articles/lhb/pdf/1954/02/lhb1954018.pdf
* SERAM, Laplace, D. (1995) : Dispositif de mesure du débit d'un écoulement à surface libre tenant compte des variations du niveau d'eau ; France ; brevet INPI n° 93 12 241.
* https://www.fr.endress.com/fr/instrumentation-terrain-sur-mesure/debit-mesure-produits/mesure-debit-debitmetre-electromagnetique
Pour en savoir plus :
* Bernard M. (coordinatrice) (2019) : Guide d’échantillonnage à des fins d’analyses environnementales ; cahier 7 : Méthodes de mesure du débit ; Centre d’expertise en analyse environnementale du Québec ; 321p. ; disponible sur https://www.ceaeq.gouv.qc.ca/documents/publications/echantillonnage/debit_conduit_ouvc7.pdf.
* Bertrand-Krajewski, J.-L., Laplace, D., Joannis, C., Chebbo, G. (2008) : Mesures en hydrologie urbaine et assainissement ; ed. tec et Doc, Lavoisier, Paris ; 292p. (épuisé).
* Ministère chargé de l’Environnement (2017) : Charte qualité de l’hydrométrie, Guide de bonnes pratiques, janvier 2017, 82 p. ; disponible sur https://www.eaufrance.fr/sites/default/files/documents/pdf/Schapi_Charte_hydro_P01-84_BasseDefinition_5Mo_.pdf
[[Catégorie:Dictionnaire_DEHUA]]
[[Catégorie:Hydrométrie_et_débitmétrie_(HU)]]
mercredi 30 avril 2025
Bernard Chocat :
Dernière mise à jour : 01/05/2025
Terme pouvant prendre deux sens différents en hydrologie urbaine. Il peut s'agir :
* du processus par lequel des polluants sont retirés des eaux incidentes sous l'action combinée de végétaux et de micro-organisme présents dans le sol (dans ce sens voir aussi [[Phytoépuration (HU)]]) ;
* d'un ouvrage végétalisé, rempli d’un substrat filtrant adapté, vers laquelle les eaux (en particulier pluviales) sont dirigées, puis stockées, filtrées et éventuellement infiltrées, donc susceptible de jouer un rôle de biorétention au sens précédent.
Dans le second sens on précise souvent le type d'ouvrage : [[Noue (HU)|noue]] de biorétention, [[Bassin (HU)|bassin]] de biorétention, etc.
Pour en savoir plus :
* Flanagan, K., Branchu, P., Gromaire, M.C. (2017) : Les ouvrages de biorétention: synthèse des guides internationaux de conception et de maintenance des filtres plantés pour traitement à la source des eaux de ruissellement urbaines ; TSM n° 12, pp.89-126 ; disponible sur : https://enpc.hal.science/hal-02065428/document
[[Catégorie:Dictionnaire_DEHUA]]
[[Catégorie:Les_eaux_pluviales_et_la_ville_(HU)]]
[[Catégorie:Eau_pluviale_et_temps_de_pluie_(HU)]]
[[Catégorie:Solutions_alternatives_et_compensatoires_(HU)]]
jeudi 3 avril 2025
Bernard Chocat : Page créée avec « ''Traduction anglaise : BCF / Bioconcentration Factor'' Dernière mise à jour : 03/04/2025 Sigle pour désigner le facteur de Bioconcentration ; le BCF e... »
Dernière mise à jour : 03/04/2025
Sigle pour désigner le facteur de Bioconcentration ; le BCF est défini comme rapport, à l’état d’équilibre, entre la concentration en contaminant dans l’organisme et la concentration en contaminant dissous dans l’eau (Sire et Amouroux, 2016).
Voir [[Bioaccumulation (HU)]].
Bibliographie :
* Sire, A., Amouroux, I (2016) : Note : Avantages et limites du recours aux BCF - BAF pour produire des VGE mollusques équivalentes aux NQE définies dans l’eau (DCE 2013/39/UE) ; Note ONEMA, IFREMER n°33 ; 9p. ; disponible sur https://archimer.ifremer.fr/doc/00333/44379/43992.pdf
[[Catégorie:Dictionnaire_DEHUA]]
[[Catégorie:Processus_biologiques_généraux_(HU)]]
[[Catégorie:Processus_écologiques_et_fonctionnement_des_écosystèmes_aquatiques_(HU)]]
[[Catégorie:Nature_des_impacts_sur_les_écosystèmes_et_sur_la_santé_(HU)]]
Bernard Chocat : Page créée avec « ''Traduction anglaise : BAF / Bioaccumulation Factor'' Dernière mise à jour : 03/04/2025 Sigle pour désigner le Facteur de [[Bioaccumulation (HU)|Bioac... »
Dernière mise à jour : 03/04/2025
Sigle pour désigner le Facteur de [[Bioaccumulation (HU)|Bioaccumulation]] ; le BAF est le rapport, à l’état d’équilibre, entre la concentration d’un contaminant dans les tissus d’un organisme et sa concentration totale (dissous ou dissous + particulaire) dans l’environnement (Sire et Amouroux, 2016).
La détermination expérimentale du est très difficile car ce paramètre met en relation une concentration dans l'environnement, nécessairement mesurée ponctuellement (dans le temps et dans l'espace), et une concentration dans un organisme vivant. Or cette dernière intègre l'histoire particulière de cet organisme : évolution des expositions au cours du temps dans les milieux éventuellement successifs où il a vécu, évolution de ses capacités d'assimilation et d'excrétion au cours de son cycle de vie, etc.
Bibliographie :
* Sire, A., Amouroux, I (2016) : Note : Avantages et limites du recours aux BCF - BAF pour produire des VGE mollusques équivalentes aux NQE définies dans l’eau (DCE 2013/39/UE) ; Note ONEMA, IFREMER n°33 ; 9p. ; disponible sur https://archimer.ifremer.fr/doc/00333/44379/43992.pdf
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[[Catégorie:Processus_biologiques_généraux_(HU)]]
[[Catégorie:Processus_écologiques_et_fonctionnement_des_écosystèmes_aquatiques_(HU)]]
[[Catégorie:Nature_des_impacts_sur_les_écosystèmes_et_sur_la_santé_(HU)]]
vendredi 28 mars 2025
Bernard Chocat :
''Traduction anglaise : Rain gaging (USA), Rain gauging (RU)''
Dernière mise à jour : 29/04/2025
La pluviométrie concerne la mesure dans le temps de la quantité d'eau qui tombe sous forme de précipitation : pluie, neige, grêle, grésil.
Cet article constitue une introduction au domaine. Il est (et sera) complété par différents articles traitant des différents moyens utilisables pour acquérir et traiter les données (voir les catégories : [http://wikhydro.developpement-durable.gouv.fr/index.php/Cat%C3%A9gorie:Pluviom%C3%A9trie,_techniques_de_mesures_de_la_pluie_(HU) Pluviométrie et techniques de mesures de la pluie ] et [http://wikhydro.developpement-durable.gouv.fr/index.php/Cat%C3%A9gorie:Mod%C3%A9lisation_de_la_pluie_(HU) Modélisation de la pluie]).
Nous nous intéresserons plus particulièrement au cas de l'[[Hydrologie urbaine (HU)|hydrologie urbaine]] pour lequel le phénomène pluvieux doit être analysé de façon spécifique du fait des échelles spatiale et temporelle d'intérêt.
== La pluviométrie en hydrologie urbaine ==
La quantité de pluie influence directement le cycle de l'eau en milieu urbain où l'[[Imperméabilisation (HU)|imperméabilisation]] des surfaces contrarie l’infiltration et favorise les phénomènes de ruissellement. Ces derniers peuvent conduire à des rejets d’eaux polluées au milieu naturel dus au lessivage des surfaces urbaines et aux [[Rejet urbain de temps de pluie / RUTP (HU)|déversements des réseaux unitaires et pseudo-séparatifs]]. Pour les pluies les plus fortes, le ruissellement excessif et les débordements des ouvrages pluviaux et autres cours d’eau peuvent aussi provoquer des inondations.
La pluviométrie est donc fondamentale pour comprendre, analyser, estimer et prévoir ces phénomènes d’une part pour réviser les méthodes de dimensionnement des ouvrages, adapter les modes d’aménagement du territoire et d’autre part pour en gérer et réduire les conséquences néfastes, notamment sur la base d’alertes précoces, de plans d’actions sécurité PCS ([[Plan communal de sauvegarde (HU)|Plans Communaux de Sauvegarde]]) et de comportements responsables du public.
La pratique de la pluviométrie est devenue maintenant obligatoire pour les gestionnaires de systèmes d’assainissement dans le cadre du [[Diagnostic permanent (HU)|diagnostic permanent]] et en particulier de l’[[Autosurveillance (HU)|autosurveillance réglementaire]].
== Éléments d’historique ==
L'origine la plus ancienne du [[Pluviomètre (HU)|pluviomètre]] est certainement liée au développement de l’agriculture. Les premières traces de mesures de pluie réalisées pour des besoins d’agronomie, mais aussi dans certains cas pour taxer les récoltes, remontent à l'Antiquité sur le pourtour méditerranéen en Grèce, en Palestine, mais aussi plus loin en Inde et en Chine (L’Hote, 1991). En Égypte, il semble que le besoin pluviométrique n’était pas le même car les récolte étaient directement dépendantes des cotes de crue du Nil et étaient taxées en conséquence.
Au Moyen Âge, les asiatiques ont poursuivi leur gestion de réseaux de mesure de la pluie, le besoin de la connaissance de la pluviométrie était directement lié à la production du riz. Un pluviomètre en bronze datant de 1441 a été trouvé en Corée.
Au 17ème siècle en Europe, l’anglais Christopher Wren, a inventé le premier pluviomètre comptabilisateur à [[Auget basculeur (HU)|augets]] connu. Cet instrument a marqué un tournant technologique en enregistrant la pluie sans nécessiter d’observateur et en permettant le calcul d’intensités sur des pas de temps inférieurs à la journée. A la même époque, deux Français, Pierre Perrault et Edme Mariotte, se sont attachés à montrer que la quantité de pluie, tombée sur un bassin versant, permettait d’expliquer le volume des eaux des sources, des rivières et des fleuves, notamment de la Seine à Paris.
Au 18ème siècle, en France, Louis Cotte développe lui aussi un pluviomètre.
Au 19ème siècle, l’association météorologique créée en France par Urbain Le Verrier standardisa les pratiques avec le pluviomètre « Association » qui captait les précipitations sur 400 cm2. Cette dimension est toujours utilisée aujourd’hui. Les réseaux de mesure se sont densifiés à travers le monde et les instruments se sont perfectionnés avec des systèmes divers de comptage des précipitations : augets, siphons, flotteurs, pesée, etc.
Au 20ème siècle, l’utilisation du [[Pluviographe (HU)|pluviographe]], qui était un pluviomètre à augets équipé d’un enregistreur graphique, a longtemps permis de consigner les quantités de pluies précipitées dans le temps mais le dépouillement des données était long et fastidieux. L'avènement plus récent des technologies électroniques a permis de développer des pluviomètres numériques dont les mesures sont collectées, enregistrées localement grâce à un logger et transmises par télécommunication vers un serveur pour l’exploitation informatique des données.
Dans les années 1980, le [[Radar météorologique (HU)|radar météorologique]] a vu son utilisation monter en puissance avec le déploiement progressif par Météo-France d’une couverture nationale (réseau [[ARAMIS (HU)|Aramis]]). La diffusion des images passe du ¼ d’heure à 5 minutes et les mesures radar commencent à être calibrées avec des pluviomètres locaux (Système [[Calamar (HU)|Calamar]]).
Au début du 21éme siècle, le pluviomètre devient « connecté » grâce à l’IoT (Internet des objets) et autonome en énergie. Il transmet ses données en temps réel vers une plateforme en ligne et vers les applications mobiles via une connexion GSM ou internet (Ilane ''et al'', 2024). L’utilisation du radar météorologique se démocratise et les lames d’eau calculées deviennent de plus en plus sophistiquées.
De nouvelles techniques de mesures de la pluie basées sur l’atténuation des ondes des antennes satellites TV ou des antennes de télécommunication voient également le jour.
==Unités de mesure==
La pluie est généralement mesurée en millimètres (mm) : Cette unité correspond à la hauteur d'eau recueillie sur une surface plane. Par exemple, 1 mm de pluie équivaut à 1 litre d'eau par mètre carré (L/m2) ou encore 10 m3 d’eau par hectare (m3/ha).
La pluie ainsi mesurée permet de calculer des cumuls : C'est la quantité totale de pluie exprimée en mm, tombée sur une période donnée : événement, jour, mois, année.
La pluie peut aussi être caractérisée par son intensité : C'est la quantité de précipitation tombée par unité de temps sur une période courte. L’unité la plus employée en hydrologie urbaine est le mm/h.
==Instruments utilisés pour mesurer la pluie en hydrologie urbaine==
La pluie peut se mesurer au sol mais aussi dans l’atmosphère, sous forme ponctuelle ou spatialisée. Les instruments de mesure utilisés à ce jour sont présentés dans les paragraphes suivants.
===Pluviomètre totalisateur===
Positionné au sol, cet instrument mesure la quantité totale de précipitations tombées sur une période donnée, en général la journée, la donnée étant relevée par un observateur. Le pluviomètre totalisateur produit une information ponctuelle sur la pluie. Il est composé d’un impluvium de forme conique qui capte l’eau de pluie et la dirige dans une éprouvette ou un bol gradué pour lecture directe du nombre de mm précipités. Après lecture de la quantité de pluie, le pluviomètre totalisateur doit être vidé.
Nous verrons que pour les besoins de l’hydrologie urbaine, la connaissance des intensités de pluie étant fondamentale, l’information donnée par les pluviomètres totalisateurs est intéressante mais insuffisante.
===Pluviomètre enregistreur à auget basculant===
Le pluviomètre enregistreur (''Figure 1'') est en plus équipé d’un système de comptage pour mesurer la quantité précipitée sur une période courte. Ce pluviomètre dirige l’eau de pluie dans un petit auget qui bascule et permet de discrétiser la pluie par unités de 0,1 de 0,2 ou encore de 0,5 mm (''Figure 2''). Chaque basculement peut être horodaté, ou être cumulé sur un pas de temps de quelques minutes (historiquement, souvent 6 minutes). Le pluviomètre à auget basculant est simple et robuste, mais peut sous-estimer les précipitations les plus intenses. A chaque basculement, l’auget vient en contact avec un dispositif électronique qui transforme ce contact en signal TOR (Tout Ou Rien).
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Aujourd’hui, les pluviomètres à auget sont connectés, par exemple en leur rajoutant un transmetteur à entrée TOR pour horodater puis envoyer les données en temps réel sous forme numérique. En combinant les mesures de nombreux pluviomètres, il devient possible de calculer des cartes de pluie sous forme d’[[Isohyète (HU)|isohyètes]] et de les rendre dynamiques au pas de temps de mesure des pluviomètres.
===Pluviomètre à pesée===
Cet instrument est lui aussi positionné au sol et fournit une information ponctuelle. Plus précis que le pluviomètre à auget, il mesure la variation de masse d'un récipient recueillant l'eau de pluie. Il permet d'enregistrer les précipitations en continu et de détecter de faibles ou de fortes intensités. Il présente cependant l’inconvénient de nécessiter de vider régulièrement son récipient, manuellement ou par un système mécanisé qui rajoute de la complexité.
Les appareils de ce type sont plus économiques, plus robustes et moins sujets à dérive que les pluviomètres à augets. De ce fait beaucoup de collectivités commencent à remplacer les pluviomètres à augets par des pluviomètres à pesée, ce qui pose un problème de continuité des séries (''figure 3''). En effet la forme et la surface de captation sont différentes ce qui peut induire un écart métrologique.
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===Pluviomètre à technologie optique===
Cette technologie, initialement développée pour l'industrie automobile, est disponible pour l'hydrologie depuis une dizaine d'années. Elle est encore peu utilisée. Positionné au sol, ce capteur donne lui aussi une information ponctuelle. Une source de lumière infrarouge émet des faisceaux vers des détecteurs intégrés à une lentille. Lorsque des gouttes d'eau touchent la surface extérieure de la lentille, elles perturbent ces faisceaux, réduisant leur intensité. Le capteur analyse ces variations pour estimer la taille des gouttes et fournit ainsi des quantités de pluie (''Figure 4'').
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===Disdromètre===
Comme les pluviomètres, le [[Disdromètre (HU)|disdromètre]] est positionné au sol et fournit une information ponctuelle. Il fonctionne en émettant un faisceau lumineux ou laser à travers une zone de mesure, perturbée par le passage des gouttes de pluie. Ces variations, dues à l'absorption ou à la diffraction, permettent de déterminer la taille et la vitesse des gouttes. L’appareil établit la distribution des tailles des gouttes et mesure l'intensité des précipitations. Le disdromètre permet d'étudier la microstructure de la pluie. Il est utilisé principalement pour la recherche sur les processus physiques de formation des précipitations.
===Radar météorologique===
Cet instrument, positionné au sol, mesure indirectement la pluie dans l’atmosphère. Le radar émet des micro-ondes électromagnétiques vers le ciel, typiquement entre 3 et 10 GHz, qui sont réfléchies par les gouttes de pluie présentes dans l’atmosphère. En analysant les signaux de rétrodiffusion, il est possible d'estimer la quantité de pluie présente dans la direction de visée, en fonction du temps et en fonction de la distance au radar. La conversion de la puissance récupérée en intensité de pluie se fait par des relations du type Marshall-Palmer (Marshall et Palmer, 1948), qui font l’objet de travaux d’estimation depuis plusieurs décennies.
Le radar comporte une antenne parabolique protégée dans une boule appelée radôme (''Figure 5'' et ''Figure 6''). Il tourne sur 360° et tire à des angles d’élévation différents afin de prendre en compte la variabilité verticale de la pluie. Lors d’un tour complet, le radar scanne toutes les directions et une cartographie de la pluie peut être produite sur un grand territoire. Selon sa longueur d’onde et en zone non-montagneuse, la portée métrologique d’un radar peut atteindre 100 km.
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La France est ainsi couverte par le réseau Aramis (''Figure 7'') qui compte plus d’une trentaine de radars gérés par Météo-France pour fournir une image composite de la pluie (''Figure 8''). L’implantation de radars en bordure maritime permet de voir la pluie en provenance de la mer, ce qui présente un intérêt majeur par rapport aux autres technologies de pluviométrie au sol, notamment pour les alertes précoces des territoires littoraux.
Les radars nationaux mesurent aujourd’hui avec un pas de temps de 5 minutes et permettent de représenter une cartographie dynamique de la pluie sur la France selon une résolution spatiale de 1 km2.
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===Antenne satellite pluviométrique===
Cette nouvelle technique de mesure indirecte de la pluie utilise des antennes TV paraboliques positionnées au sol et les satellites géostationnaires de diffusion de la télévision (''Figure 9''). Les signaux électromagnétiques émis par les satellites de télévision sont atténués lorsqu'ils traversent les précipitations. Aux fréquences qui nous intéressent (10.7GHz - 12.75GHz), l'absorption et la diffusion sont principalement dues aux gouttes de pluie. Le signal reçu au sol par les antennes est donc atténué lorsqu'il pleut et il l'est d'autant plus que les gouttes sont nombreuses et grosses. La mesure et l’analyse de l'atténuation du signal permettent d'en déduire la pluviométrie sur la liaison sol-satellite avec une résolution temporelle d’une minute (Mercier ''et al'', 2019). L’information pluviométrique reçue peut être spatialisée en temps réel comme avec un réseau de pluviomètres connectés, en combinant les mesures de nombreuses antennes, pour obtenir une cartographie dynamique de la pluie. Plus de 1000 antennes pluviométriques sont à ce jour déployées dans le Sud-Est de la France et l’objectif est d’atteindre tout le territoire métropolitain et d’outre-mer en 2025.
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===Antennes relais de télécommunications===
Cette nouvelle technique de mesure indirecte de la pluie repose sur le même principe d’atténuation du signal que celui mis en œuvre avec les antennes satellites, mais l’information sur les précipitations est mesurée dans l’air sur le trajet des microondes entre deux antennes relais de téléphonie mobile (''Figure 10''). Elle est étudiée depuis une vingtaine d’années dans les laboratoires de recherche et l’utilisation de cette donnée à des fins opérationnelles commence à intéresser les opérateurs téléphoniques privés ainsi que les services météorologiques.
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===Mesure par imagerie satellitaire===
Depuis le lancement en 1997 du satellite TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission), différentes missions ont été lancées mesurant les précipitations par imagerie à haute définition dans différentes longueurs d'onde. L'avantage de ces dispositifs est de couvrir toute la planète et en particulier les zones où il n'existe pas de dispositifs au sol (Rachdane ''et al''., 2022). La définition spatiale et temporelle des données ne paraît cependant pas adaptée au cas de l'hydrologie urbaine.
===Notion de pluviomètre « virtuel »===
Contrairement à un pluviomètre traditionnel qui mesure physiquement les précipitations à un endroit précis, un pluviomètre virtuel utilise des données collectées par un réseau de radars météorologiques et calibrées par des mesures terrain à l'aide de pluviomètres vérifiés et étalonnés. Ces informations sont ensuite traitées par un système de fusion de données pour estimer la quantité de pluie tombée sur une zone à l’échelle du km2 et au pas de temps 15 minutes. Météo-France propose ce service de pluviomètres virtuels nommé « Antilope », permettant aux utilisateurs d'accéder à des données en temps réel, des données historiques et des prévisions. Ainsi donc il peut être tentant pour un gestionnaire d’utiliser ces informations de pluie à la place de pluviomètres locaux, sans devoir installer et maintenir des appareils sur son territoire.
Ce sujet est d’autant plus d’actualité que depuis janvier 2024 Météo-France a rendu disponible les données de pluviométrie, gratuitement et en open data (voir https://www.data.gouv.fr).
==Besoins métrologiques en hydrologie urbaine==
Ces besoins sont particulièrement exigeants et imposent différentes contraintes qui sont explicités dans les paragraphes suivants.
===Une haute résolution temporelle ===
Les événements pluvieux de type [[Cellule convective (HU)|convectif]] peuvent être très intenses et de courte durée. La vitesse de déplacement des cellules orageuses peut atteindre et dépasser 50 km/h. Pour pouvoir les distinguer, il faut que le pas de temps de mesure soit idéalement de l’ordre de la minute, ou soit variable en horodatant chaque basculement d’auget. Au maximum, ce pas de temps devrait être pris égal à 5 minutes pour permettre de comparer directement les données pluviométriques au sol avec celles mesurées par les radars Météorologiques.
===Une haute résolution spatiale ===
Comme le montrent les images radar au km2 (''Figure 7''), la [[Répartition spatiale des précipitations (HU)|répartition spatiale]] des pluies peut être très hétérogène, surtout lorsqu’il s’agit de précipitations convectives orageuses. Un réseau dense de pluviomètres ou d’antennes satellite est donc souhaitable pour saisir cette variabilité spatiale. Compte tenu de la taille des cellules orageuses les plus petites observées, l’idéal, pour les besoins de l’hydrologie urbaine, serait de positionner un pluviomètre par km2.
Dans la réalité et pour des raisons économiques évidentes, mais également parce qu'il est difficile de trouver des sites d'implantation en zone urbaine, les réseaux les plus denses comme ceux déployés dans certaines métropoles (Lyon, Bordeaux, Marseille, les départements de la couronne Parisienne, etc.), comportent généralement au mieux un pluviomètre par 10 km2. Compte tenu de la taille des territoires à surveiller, cela conduit déjà à gérer plusieurs dizaines de points de mesures, ce qui devient lourd à assumer en maintenance.
Avec le support de méthodes de calcul géostatistiques et aujourd’hui celui de l’IA, les données ponctuelles de pluie peuvent être transformées en une information spatialisée, créant ainsi des cartes [[Isohyète (HU)|isohyètes]] de précipitations. L’extrapolation des trajectoires des [[Cellule pluvieuse (HU)|cellules pluvieuses]] permet une anticipation à court terme de l’ordre d’une à deux heures. La représentation de cartographies de pluie en 2D ou 3D est particulièrement intéressante et compréhensible pour le profane.
==Sources d’incertitudes sur la mesure de la pluie avec des pluviomètres==
Les pluviomètres au sol réalisent une mesure directe de la pluie. Ils sont considérés comme une référence et servent d’étalons pour calibrer les méthodes de mesure indirectes. Par conséquent il est fondamental de connaitre les sources d’incertitudes qui peuvent les affecter. Ces sources sont nombreuses, liées à la pluie elle-même, à l’environnement du pluviomètre, à la présence de vent et au système de captation et de comptage des précipitations.
===Incertitudes liées à la pluie ===
Les observations des cellules orageuses mesurées par radar météorologique au km2 toutes les 5 minutes montrent que la pluie est un phénomène discontinu dans l’espace (voir ''Figure 7'') et dans le temps. Comme nous l’avons déjà dit, sa forte hétérogénéité demande des pas de temps et des pas d’espace de mesure à haute résolution, au risque sinon d’être des sources d’erreurs pour la détermination des intensités maximales et des représentations des lames d’eau précipitées.
===Incertitudes liées à l’environnement du pluviomètre===
Les incertitudes de mesure de la pluie sont aussi liées à l’environnement dans lequel sont implantés les pluviomètres : Le site doit être, d'après les recommandations de l'Organisation Météorologique Mondiale, une zone nivelée et bien découverte et la surface de captation doit se situer dans un plan horizontal à 1 mètre au-dessus du sol (voir article [[Pluviomètre (HU)]])
Ces conditions sont très difficiles à respecter en milieu urbain où se pose la question du niveau de référence : est-ce au niveau des toitures sur lesquelles s’effectue une grande part du ruissellement, ou au niveau du sol ?
Les conditions d’installation par rapport aux obstacles qui nécessitent de respecter un éloignement à plus de 4 fois la hauteur d’arbres ou bâtiments à proximité et le risque de vandalisme conduisent dans la plupart des cas à installer les pluviomètres de façon dégagée et sécurisée sur les toitures des bâtiments publics dominants.
===Incertitudes liées au vent ===
Le vent est une source d’incertitude extérieure qui peut être importante. Une étude de la ''Royal Meteorological Society'' Canadienne (citée par Chocat ''et al.'', 1997 et Bertrand Krajewski ''et al.'', 2008) montre que le vent provoque un déficit de captation qui varie de 10 % environ pour une vitesse de 10 à 20 km/h jusqu’à 50 % pour une vitesse de 40 à 90 km/h. Le vent peut également entraîner une sous-estimation des précipitations en raison de l’évaporation qu’il provoque (Morineau, 1993).
Par ailleurs, le vent est aussi susceptible de créer des vibrations du pluviomètre, lesquelles peuvent provoquer des basculements intempestifs dans le cas des appareils à augets et des contraintes supplémentaires sur les pluviomètres à pesée, conduisant à bruiter la mesure.
L’enregistrement concomitant de la vitesse du vent par anémomètre constitue un complément utile pour évaluer l’ordre de grandeur de l’incertitude sur la valeur de la pluie mesurée, ou tout au moins pour attribuer un indice de qualité aux données pluviométriques.
===Incertitudes liées aux instruments de mesure===
Ces incertitudes sont plus facilement maitrisables. Bien positionnés à l’horizontale, le pluviomètre et son système de comptage doivent être étalonnés en atelier et vérifiés régulièrement sur place. Pour cela, l’accès aux pluviomètres doit être aisé et sécurisé afin de réaliser les interventions de maintenance et de vérification dans les meilleures conditions. Selon le contexte et la saison, notamment en fonction des risques de colmatage de l’ajutage du pluviomètre par les feuilles, les déjections d’oiseaux, les embruns salés, les graminées, les précipitations terreuses etc., ces interventions de maintenance doivent être fréquentes.
===De longues séries chronologiques===
Pour calculer des statistiques, des tendances représentatives, des périodes de retour ou encore évaluer la stationnarité ou l’évolution des observations dans le contexte actuel de changement climatique, il est important de disposer de longues séries de données, à minima sur une durée de 30 à 50 ans. L’archivage sécurisé de la pluviométrie est donc particulièrement important et constitue un enjeu majeur pour l’avenir.
==Domaines d’applications de la pluviométrie en hydrologie urbaine==
Ces besoins sont nombreux. Les principaux sont cités dans les paragraphes suivants.
===Comprendre le climat local===
L’analyse des données pluviométriques sur de longues périodes permet d’identifier des tendances, des cycles et des anomalies. Cela permet de mieux connaitre et d'anticiper les changements climatiques. Comme nous le verrons, cela est essentiel pour adapter les méthodes d’aménagement du territoire et de dimensionnement des ouvrages.
===Gérer les ressources en eau===
La gestion des ressources en eau en ville est devenue un défi complexe. Elle dépend de la croissance démographique de la ville, de la qualité de l'eau disponible et bien sûr du [[Changement climatique (HU)|changement climatique]] et de son impact sur la pluie. La connaissance pluviométrique est stratégique pour le remplissage des [[Nappe phréatique (HU)|nappes phréatiques]] et le débit des cours d’eau. Elle permet d'ajuster raisonnablement les prélèvements en eau brute pour usages domestique et industriels et de gérer l'alimentation en eau potable de la ville. La pluie participe aussi à l’humidité des sols non imperméabilisés et sa connaissance permet des économies d’eau avec une irrigation raisonnée des espaces verts.
===Prévoir les événements météorologiques===
Les données pluviométriques servent pour [[Calage d'un modèle (HU)|caler]] les modèles météorologiques atmosphériques et contribuent à faire des prévisions pertinentes.
Comme déjà évoqué, en combinant les mesures réalisées ponctuellement par de nombreux pluviomètres ou de nombreuses antennes, il est possible de calculer des cartes d’isohyètes en temps réel et d’anticiper la survenance de la pluie avec une à deux heures d’avance.
L’imagerie radar composite produit naturellement une cartographie de la pluie, ce qui permet de suivre les mouvements des cellules précipitantes et d’anticiper leurs trajectoires par advection. Les radars sont ainsi utilisés pour prévoir la pluie et son intensité sur le court terme.
===Déclencher des alertes===
La pluviométrie et sa prévision sont des éléments clés pour comprendre et anticiper les risques liés aux intempéries, notamment les inondations, les coulées boueuses et les glissements de terrain et sont essentielles pour mettre en place des systèmes d'alerte précoce efficaces.
===Évaluer les risques naturels===
Les données pluviométriques permettent d’évaluer la gravité des évènements liés aux précipitations et aux sécheresses, tels que les inondations, les mouvements de terrain et servent pour le classement en catastrophe naturelle, notamment sur la base de leurs [[Période de retour (HU)|périodes de retour]].
===Aménager le territoire===
L’analyse statistique de l’occurrence des pluies est un des éléments qui permet de déterminer le niveau de protection à atteindre et concevoir des infrastructures résilientes face aux risques courants et exceptionnels. En milieu urbain, les aménagements intègrent maintenant des [[Solution alternative (HU)|solutions alternatives]] aux canalisations, comme des [[Bassin de retenue (HU)|bassins de retenue]], des [[Puits de stockage et d'infiltration (HU)|puits d’infiltration]], des [[Toiture stockante (HU)|toitures stockantes]] qui peuvent aussi être végétalisées et en réalisant au sol des solutions végétales basées sur la nature avec des surfaces perméables pour réduire le ruissellement.
===Dimensionner les ouvrages===
La pluviométrie associée à l’hydrologie permet de calculer les débits à infiltrer, les volumes à stocker ainsi que les débits maximums à évacuer. Sur cette base, l’utilisation de [[Modèle hydrologique (HU)|modèles hydrologiques]] et de [[Modèle d'écoulement en réseau et en cours d'eau (HU)|modèles d'écoulement]], permet de simuler les écoulements et de dimensionner les ouvrages.
===Optimiser la gestion des systèmes d’assainissement===
Des plus faibles aux plus intenses, les pluies entraînent des conséquences sur les systèmes d’assainissement et les risques gérés vont de la pollution des milieux récepteurs jusqu’aux inondations avec leurs conséquences sur les milieux naturels, les biens et les personnes. La pluie mesurée et prévue peut être utilisée comme donnée d’entrée de modèles hydrologiques et hydrauliques pour la simulation en temps réel des écoulements dans les cours d’eaux et les systèmes d’assainissement, rendant possible l’adaptation au contexte pluviométrique des stratégies de traitement des Stations de Traitement des Eaux Usées, des marges de manœuvre de gestion des réseaux et des capacités de stockage mobilisables (Laplace ''et al.'', 2019). La gestion optimisée des capacités de traitement des systèmes d’assainissement et de stockage permet ainsi de limiter les déversements et les débordements.
===Contribuer au Diagnostic Permanent et à l’Autosurveillance Réglementaire===
La pluviométrie joue un rôle central dans ces processus réglementaires en corrélant les données de précipitations avec le fonctionnement des Stations de Traitement des Eaux Usées, avec la mesure des débits dans les réseaux et avec les nombres de déversements, les volumes déversés ou encore la qualité de l’eau rejetée au milieu naturel. A ce jour, la donnée de référence acceptée par les Agences de l’Eau et la Police de l’Eau reste préférentiellement celle mesurée au sol par les pluviomètres enregistreurs, tout en exigeant de la part des exploitants un suivi métrologique sérieux des appareils.
Néanmoins, les collectivités ou leurs exploitants, peuvent également utiliser les données dites de pluviométrie virtuelle, comme celles fournies par Météo France pour autant qu’elles soient « représentatives », ce qui nécessite de le prouver.
==Suivi métrologique, étalonnage et vérification d’un pluviomètre==
Comme tout instrument de mesure le pluviomètre nécessite d’être suivi grâce à une fiche de vie dans laquelle sont consignées toutes les actions de maintenance, d’étalonnage et de vérification.
L’étalonnage d’un pluviomètre est généralement réalisé en atelier et comporte deux phases :
* L’étalonnage statique par tarage des augets ;
* L’étalonnage en intensité en générant des débits constants grâce à un vase de Mariotte.
La vérification est réalisée sur le terrain en versant lentement un volume d’eau mesuré grâce à une éprouvette étalon, dans l’impluvium du pluviomètre. L’éprouvette doit être certifiée de classe A, fabriquée selon la norme ISO 4788, et être ainsi raccordée aux étalons nationaux pour qualifier l’incertitude sur l’évaluation du volume d’eau servant à la vérification.
A titre d’exemple, pour un impluvium de 1000 cm2 avec une discrétisation à 0,2 mm, le pluviomètre doit mesurer 50 basculements pour un volume de test de 1 litre. Dans les mêmes conditions, il doit mesurer 125 basculements de 0,2 mm pour un impluvium de 400 cm2.
Une vérification trimestrielle des pluviomètres est recommandée pour garantir la fiabilité des mesures de pluie.
Enfin une vérification de bout en bout de la chaîne de mesure, c’est a dire du pluviomètre au logger jusqu’au superviseur est aussi une étape importante. Par exemple, il peut arriver qu’un mauvais câblage ou une absence de blindage du câble rendent les informations enregistrées et transmises différentes de celles mesurées par le pluviomètre.
Il est important de ne pas oublier d’effacer les données simulées lors des vérifications sur le terrain afin de ne pas fausser les séries chronologiques pluviométriques.
==Conclusion==
La mesure de la pluie pour les besoins de l’hydrologie urbaine est une opération complexe. Les différents instruments qui viennent d’être présentés mesurent tous la pluie, mais selon des principes différents. Chacun voit « sa vérité » et présente des avantages et des limites spécifiques. Leur utilisation conjointe est complémentaire et pertinente pour enrichir la mesure par inter-comparaisons. La calibration des images radar avec des pluviomètres au sol a longtemps fait débat, mais aujourd’hui son intérêt ne se discute plus. Il reste encore à intégrer la nouvelle technologie des antennes météorologiques dans cette chaîne de validation. Cette redondance entre plusieurs instruments différents permet des inter-calibrations, mais aussi apporte une sécurité pour l’utilisateur, la probabilité de panne simultanée étant faible, cela garantit la continuité de l’information pluviométrique, fondamentale notamment lorsqu’il s’agit de gérer la sécurité d‘un territoire en temps réel, ou pour évaluer la qualité d’une série pluviométrique. Bien des données de mesure de pluie, jugées hâtivement aberrantes, ont pu être effacées dans l’histoire par manque de cette possibilité de comparaison.
Bibliographie
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mercredi 5 mars 2025
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mardi 13 août 2024
Bernard Chocat :
Voir [[Courantomètre (HU)]].
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samedi 13 juillet 2024
Bernard Chocat : /* Différents types de courantomètres */
''article en chantier''
Dernière mise à jour : 11/09/2024
Appareil permettant le mesurage d’une vitesse locale au sein d’un écoulement ; les [[Vélocimètre (HU)|vélocimètres]] de ce type sont généralement portables et mis en œuvre pour des opérations de [[Jaugeage (HU)|jaugeage]] permettant par exemple d'établir une [[Courbe de tarage (HU)|courbe de tarage]] dans une section de contrôle ou de calibrer d'un autre type de vélocimètre fonctionnant en continu.
==Différents types de courantomètres==
Les courantomètres utilisent différents principes physiques :
* l'existence d'une relation entre la vitesse et l'énergie mécanique de l'écoulement : moulinet hydrométrique ;
* le différentiel entre la pression statique et la pression dynamique : tube de Pitot ;
* le principe de Faraday : courantomètre électromagnétique ;
* l'effet Doppler : sonde laser, radar ou autre à effet Doppler.
Les différents types d'appareil sont rapidement décrits dans les paragraphes suivants, avec, pour certains, un renvoi vers un article spécifique proposant une description plus détaillée.
===Moulinet hydrométrique===
Un moulinet hydrométrique est composé d’une hélice mobile fixée au bout d'une tige et que l'on plonge dans l'écoulement. La vitesse de rotation de l'hélice est reliée à la vitesse de l’eau dans son voisinage (''Figure 1''). La vitesse de rotation de l’hélice est mesurée grâce à un compteur à impulsions, électrique, magnétique ou optique selon les modèles. Les formes de l’hélice et de son support sont étudiées pour perturber le moins possible l’écoulement et en particulier pour éviter de modifier la vitesse que l'on souhaite mesurer. Les moulinets font l'objet de la [https://www.boutique.afnor.org/fr-fr/norme/iso-25372007/hydrometrie-moulinets-a-element-rotatif/xs019436/113637 norme NF ISO 2537-2007] qui définit en particulier les modalités de leur étalonnage.
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Il existe différents types d'appareils, plus ou moins lourds et donc plus ou moins susceptibles de perturber l'écoulement (saumon, micro-moulinet, etc.)
Pour en savoir plus : [[Moulinet (HU)]].
===Tube de Pitot===
La charge spécifique totale d’un écoulement s'exprime traditionnellement en hauteur d'eau de la façon suivante (relation (1)).
Avec :
* : charge spécifique totale (m) ;
* : charge spécifique statique (m) ;
* : vitesse locale de l'écoulement (m/s) ;
* : pression (Pa ou N/m2) (nota : en général, on ne tient pas compte de la pression atmosphérique et on raisonne en pression relative en considérant une pression nulle en surface) ;
* : masse volumique (kg/m3) ;
* : accélération de la pesanteur (m/s2).
Un tube de Pitot (''figure 2'') mesure en un même point la charge spécifique totale et la charge spécifique statique.
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La valeur du différentiel de pression () par un manomètre différentiel donne donc accès directement à la valeur de la vitesse (relation (3)) :
===Courantomètre électromagnétique===
Les courantomètres électromagnétiques reposent sur le principe qu'un liquide conducteur traversant un champ magnétique crée une différence de potentiel proportionnelle à la vitesse d'écoulement. Les appareils de ce type utilisent donc un champ magnétique d'intensité constante, généré par une bobine intégrée dans l'appareil. La tension produite est mesurée par deux électrodes également moulées dans la sonde.
Comme indiquée, cette tension est proportionnelle à la vitesse de déplacement du fluide conducteur, mais également à la puissance du champ magnétique et à la distance séparant les électrodes, ce qui permet d'ajuster la sensibilité (voir relation (4)).
Avec :
* : Vitesse mesurée (m/s) ;
* : Différence de potentiel mesurée aux électrodes (V) ;
* : Intensité du champ magnétique (T) ;
* : Distance entre les électrodes (m) (généralement égale au diamètre de la conduite) ;
* : coefficient de proportionnalité (sans dimension, théoriquement égal à 1).
La sonde, à laquelle on donne une forme hydrodynamique pour perturber le moins possible l'écoulement, est de taille réduite (quelques centimètres de diamètre et une dizaine de cm de longueur). Pour effectuer les mesures, on la fixe à l'extrémité d'une tige graduée qui permet de connaître sa profondeur dans l'écoulement (''figure 3'').
[[File:courantomètre_electromagnetique.png|400px|center|thumb|
===Courantomètres à effet Doppler===
Les vélocimètres à effet Doppler sont bien connus des automobilistes puisque c'est ce type de technologie qui est utilisé par les radars installés au bord des routes pour contrôler la vitesse des véhicules. Le principe de ce type de mesurage est assez simple : on envoie une onde de fréquence connue vers un objet en mouvement et on mesure la fréquence de l'onde retour qui s'est réfléchie sur l'objet. Celle-ci va être raccourcie ou augmentée selon que l'objet se rapproche ou s'éloigne de la sonde. La vitesse de l'objet est directement liée au décalage de fréquence entre l'onde émise et l'onde réfléchie.
Ce principe peut être utilisé de deux façons différentes pour mesurer la vitesse locale de l'eau en utilisant des longueurs d'onde (inverses de la fréquence) différentes :
* soit on utilise un rayonnement ultrasonique avec une sonde immergée (''figure 4'') ; on parle alors de courantomètre acoustique à effet Doppler (on utilise souvent l'un des sigles anglais : ''ADV'', pour ''Acoustic Doppler Velocimeter'' ; ''ADCP'', pour ''Acoustic Doppler Current Profiler'' ; ''ADVP'', pour ''Acoustic Doppler Velocity Profiler'') ;
* soit on utilise un rayonnement laser, généralement dans l'infra-rouge, avec une sonde aérienne ; ce rayonnement très fin est en effet suffisamment énergétique pour pénétrer dans le liquide (''figure 5'') ; ce type de longueur d'onde est encore peu répandu, les fabricants proposant principalement des appareils à installer à poste fixe (voir [[Vélocimètre (HU)]]) ;
* soit on utilise une sonde radar (longueur d'onde millimétrique ou centimétrique) pour mesurer la vitesse en surface ; dans ce cas on ne peut obtenir qu'un profil de vitesse de surface sur la largeur de l'écoulement (''figure 6'') ; dans ce cas on parle de ''SVR'' (pour ''Surface Velocity Radar'') (Dramais ''et al.'', 2013).
Dans les deux premiers cas le faisceau est réfléchi par les particules ou les bulles d'air en suspension dans l'eau ; cette technique de mesurage admet donc comme hypothèse fondamentale que les particules ou les bulles d’air se déplacent avec la même vitesse que l'eau. Dans le dernier cas le faisceau est réfléchi par les aspérités de surface.
[[File:courantomètre_doppler_ultrasons.PNG|600px|center|thumb|
[[File:velocimètre_doppler_laser.PNG|600px|center|thumb|
[[File:courantomètre_radar.PNG|600px|center|thumb|
===Courantomètres profileurs===
Les courantomètres Doppler à ondes pulsées, quelle que soit la longueur d'onde utilisée (ultrasons ou laser), permettent de sonder l'écoulement à différentes profondeur et donc d'établir un profil de vitesses le long du faisceau ; on parle alors de profileur de vitesses.
Dans le cas des courantomètres profileur à ultrasons (souvent nommés ''ADCP''), l'appareil est le plus souvent positionné juste sous la surface, fixé sur une bouée, ou embarqué à bord d'un navire ; il peut également être installé au fond avec une cage de protection.
Nota : Certains appareils sont même équipés de plusieurs sondes avec des faisceaux émis dans des directions différentes. Il est alors possible de mesurer le champ de vitesse à partir d'une seule position de l'appareil (''figure 7'') ; on est alors plus proche d'un [[Vélocimètre (HU)|vélocimètre]] que d'un courantomètre au sens strict.
[[File:courantomètre_adcp.PNG|600px|center|thumb|
Certains courantomètres acoustiques possèdent deux sondes décalées et inclinées, ce qui permet le mesurage de deux composantes de la vitesse (selon la position de l'appareil) (''figure 8'').
[[File:courantomètre_ubertone.PNG|600px|center|thumb|
===Règles à jauger===
Le principe des règles à jauger (ou perches à charge dynamique transparente) consiste à mesurer la différence de niveau d’eau entre l’amont et l’aval d’une planche opposée à l’écoulement et d'en déduire la vitesse moyenne dans un plan vertical en utilisant une relation d’étalonnage semi-empirique (''figure 9'').
[[File:règle_a_jauger_inrae.PNG|400px|center|thumb|
Il s'agit d'un outil de jaugeage peu coûteux (de l'ordre de 200€), facile et rapide à utiliser, fournissant des débits fiables dans les bonnes conditions d’application (vitesse supérieure à 20 cm/s sur la majeure partie de la section, stabilité de la règle dans l’écoulement). Comme dans le cas des courantomètres Doppler radar de surface ce type de mesurage fournit une valeur unique de vitesse pour chaque plan vertical de mesure.
===Éléments de synthèse===
* moulinet hydrométrique : dispositif intrusif, surtout utilisé pour les cours d'eau ;
* tube de Pitot : dispositif intrusif, risque de colmatage ; difficile à utiliser pour les écoulements chargés (cas des réseaux) ;
* courantomètre électromagnétique : dispositif intrusif, utilisable aussi en réseau ;
* sondes laser à effet Doppler : dispositif non intrusif, utilisable en réseau ou pour les cours d'eau ; possibilité de mesurer un profil de vitesse ; possibilité d'en mesurer en même temps deux composantes ;
* sondes ultrasons à effet Doppler : dispositif peu intrusif, utilisable en réseau ou pour les cours d'eau ; possibilité de mesurer un profil de vitesse ; peu répandu ;
* sondes radar à effet Doppler : dispositif non intrusif, utilisable pour les cours d'eau ou les grands collecteurs ; ne fournit que les valeurs de vitesse en surface ;
* règles à jauger : dispositif intrusif, très peu couteux, utilisable pour les cours d'eau ou les grands collecteurs ; ne fournit que les valeurs moyennes de vitesse sur un axe vertical ;
Bibliographie :
* Dramais, G., Le Coz, J., Le Boursicaud, R., Hauet, A., Lagouy, M. (2013) : Jaugeage par radar mobile ; Protocole et résultats ; In: 35es journées de l’hydraulique de la Société Hydrotechnique de France. Hydrométrie 2013 ; Paris, 15-16 mai 2013.
* Le Coz, J., Larrarte, F., Saysset, G., Pierrefeu, G., Brochot, J.F., Marchand, P. (2009) : Mesures hydrologiques par profileur à effet Doppler (aDcp) en France : application aux cours d'eau et aux réseaux urbains ; La Houille Blanche - Revue internationale de l’eau ; 2009 ; n°3 ; p. 115 - 122 ; disponible sur [https://hal.science/hal-00547581v1/file/LY2009-PUB00026555.pdf https://hal.science]
* https://www.artois-picardie.eaufrance.fr/qualite-et-quantite-des-eaux/situation-hydrologique-hydrogeologique-et-pluviometrique/article/les-jaugeages-dans-le-bassin
* https://web.archive.org/web/20111215222559id_/http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/54/75/81/PDF/LY2009-PUB00026555.pdf
Pour en savoir plus :
* Bernard M. (coordinatrice) (2019) : Guide d’échantillonnage à des fins d’analyses environnementales ; cahier 7 : Méthodes de mesure du débit ; Centre d’expertise en analyse environnementale du Québec ; 321p. ; disponible sur https://www.ceaeq.gouv.qc.ca/documents/publications/echantillonnage/debit_conduit_ouvc7.pdf.
* Bertrand-Krajewski, J.-L., Laplace, D., Joannis, C., Chebbo, G. (2008) : Mesures en hydrologie urbaine et assainissement ; ed. tec et Doc, Lavoisier, Paris ; 292p. (épuisé).
* Ministère chargé de l’Environnement (2017) : Charte qualité de l’hydrométrie, Guide de bonnes pratiques, janvier 2017, 82 p. ; disponible sur https://www.eaufrance.fr/sites/default/files/documents/pdf/Schapi_Charte_hydro_P01-84_BasseDefinition_5Mo_.pdf
[[Catégorie:Dictionnaire_DEHUA]]
[[Catégorie:Hydrométrie_et_débitmétrie_(HU)]]
mercredi 3 juillet 2024
Bernard Chocat :
Voir [[Solutions de gestion durable des eaux pluviales urbaines (HU)]].
[[Catégorie:Dictionnaire_DEHUA]]
[[Catégorie:Les_eaux_pluviales_et_la_ville_(HU)]]
[[Catégorie:Solutions_alternatives_et_compensatoires_(HU)]]
mardi 2 juillet 2024
Bernard Chocat :
''Traduction anglaise : velocimeter''
Dernière mise à jour : 11/09/2024
Appareil destiné au mesurage de la vitesse ; en hydrologie on s'intéresse spécifiquement au mesurage de la [[Vitesse d'un écoulement (HU)|vitesse des écoulements]] dans les cours d'eau et dans les réseaux d'assainissement, généralement pour estimer une valeur de débit (voir [[Débitmétrie (HU)]])
Cet article fait partie d'une série plus complète sur l'hydrométrie et la débitmétrie dans les réseaux et dans les cours d'eau ; voir en particulier [[Limnimètre (HU)|Vélocimètre (HU)]] et [[Débitmétrie (HU)]]. En plus des membres de l'association Eurydice, il a bénéficié de la relecture et des contributions de Nicolas Walcker ([[OTHU (HU)|OTHU]]), de Mathieu Zug et de Matthieu Dufrene.
==Différents types de mesurages de la vitesse==
On sait depuis longtemps que la vitesse des filets liquides n'est pas la même en tout point d'une section en travers d'un écoulement (''figure 1'').
[[File:débitmètre_encyclo2.PNG|600px|center|thumb|
Or, les principes susceptibles d'être mis en œuvre pour le [[Mesurage (HU)|mesurage]] des vitesses sont très divers ; donc, selon le principe utilisé, le [[Mesurande (HU)|mesurande]] (c'est à dire la grandeur effectivement mesurée) sera différent. Par exemple :
* un mesurage effectué avec un [[Moulinet (HU)|moulinet hydrométrique]] ou un autre type de [[Courantomètre (HU)|courantomètre]] fournira une valeur locale de vitesse des filets liquides ;
* le mesurage d'un temps de transit par des sondes à ultrasons fournira une valeur moyenne sur une corde, correspondant à l'intégration des valeurs locales de vitesses sur le trajet suivi par le train d'ondes ;
* l'utilisation d'un vélocimètre immergé à effet Doppler fournira :
** soit une valeur maximale de vitesse dans le cône de mesure,
** soit une valeur moyenne sur une surface, correspondant à l'intégration des valeurs locales sur une partie de la [[Section mouillée (HU)|section mouillée]] ;
* l’utilisation d’un vélocimètre aérien sans contact, radar ou laser, fournira une valeur de vitesse en surface, ou légèrement sous la surface, qui, sauf exception (par exemple dans le cas d'un canal étroit illustre sur la ''figure 1''), s’approchera d’une valeur de vitesse maximale ;
* etc.
Il est donc nécessaire de bien savoir, pour chaque type de technologie, ce que mesure effectivement le vélocimètre, de façon à traiter l'information de façon correcte pour en déduire la grandeur d'intérêt (par exemple une valeur moyenne de vitesse d'écoulement si l'on cherche à calculer un débit).
==Éléments d'historique==
Les premières mesures de vitesse semblent avoir été réalisées avant notre ère sur le fleuve jaune, à l’aide d’un cheval courant sur la berge à la même vitesse que le courant de surface que l’on suivait par des flotteurs dérivant au fil de la rivière (Lallement, 2021). Les méthodes de mesurage de la vitesse des écoulements se sont longtemps limitées à l'utilisation de flotteurs de diverses natures qui ne donnaient que la vitesse en surface ou à son voisinage immédiat et il a fallu attendre la renaissance pour voir apparaître de nouveaux concepts.
Santorio (1561-1630) a inventé vers 1610 une "balance hydrométrique" pour mesurer la force exercée par le courant sur un obstacle placé au sein de l'écoulement. Ce type de dynamomètre a ensuite été perfectionné par P. Michelotti en 1767 pour permettre la mesure des vitesses à des hauteurs variables. Entre temps, Robert Hooke, inventeur anglais inspiré par la propulsion des bateaux par hélice, aurait proposé vers 1683 de mesurer la vitesse au moyen d'une hélice libre immergée. Mais il ne s'agissait encore que d'une idée sans réalisation concrète. Reprenant les travaux de Robert Hooke (et de Henry de Saumarez), Estavao Cabral (1786), puis Reinhardt Woltman (1790) mettent finalement au point le premier [[Moulinet (HU)|moulinet hydrométrique]].
Partant d'un principe différent, Henri Pitot (1695-1771) invente le tube qui porte son nom : une "''machine pour mesurer la vitesse des eaux courantes et le sillage des vaisseaux''". Pour ceci, il installe deux tubes piézométriques perpendiculaires dans l'écoulement : le premier est parallèle au courant pour mesurer la pression totale, le deuxième est perpendiculaire au courant et mesure la pression statique. La vitesse de l'écoulement est alors directement proportionnelle à la racine carrée de la différence de pression. C’est avec ce dispositif en particulier, après son perfectionnement par [[Darcy Henry (1803-1858) (HU)|Henry Darcy]] en 1858, que l’on effectuera des jaugeages sur la Seine à Paris lors de la grande crue de 1910 (Lallement, 2021). Les moulinets hydrométriques resteront cependant le dispositif de référence pour la plupart des jaugeages, même s'ils commencent à être concurrencés par les courantomètres électromagnétiques vers les années 1950, en particulier pour les petits cours d'eau (Reméniéras et Hermant, 1954).
Ce n'est finalement qu'à la fin du XXème siècle que commencent à apparaître des appareils légers et capables de mesurer en continu la vitesse d'un écoulement. Les premiers dispositifs opérationnels sont des sondes à ultrasons, tirant parti de la différence de temps de transit d'une onde selon qu'elle va dans le même sens que l'écoulement ou en sens contraire. On développe ensuite des dispositifs à effet Doppler, soit immergés, soit hors d'eau, utilisant différentes longueurs d'onde. On adapte également aux écoulements à surface libre les vélocimètres électromagnétiques, développés pour les écoulements en charge.
Ce sont principalement ces différentes techniques qui vont être décrites dans les paragraphes suivants.
==Mesurage par moulinet hydrométrique==
===Principes de la méthode===
Un moulinet hydrométrique est composé d’une hélice mobile fixée au bout d'une tige et que l'on plonge dans l'écoulement. La vitesse de rotation de l'hélice est reliée à la vitesse de l’eau dans son voisinage (''Figure 2''). La vitesse de rotation de l’hélice est mesurée grâce à un compteur à impulsions, électrique, magnétique ou optique selon les modèles. Les formes de l’hélice et de son support sont étudiées pour perturber le moins possible l’écoulement et en particulier pour éviter de modifier la vitesse que l'on souhaite mesurer. Les moulinets font l'objet de la [https://www.boutique.afnor.org/fr-fr/norme/iso-25372007/hydrometrie-moulinets-a-element-rotatif/xs019436/113637 norme NF ISO 2537-2007] qui définit en particulier les modalités de leur étalonnage.
[[File:vélocimètre_moulinet_jlbk1.PNG|600px|center|thumb|
Il existe différents types d'appareils, plus ou moins lourds ou imposants, et donc plus ou moins susceptibles de perturber l'écoulement (saumon, micro-moulinet, etc.) (''figure 3'').
[[File:moulinet.JPG|600px|center|thumb|
===Calcul de la vitesse moyenne de l'écoulement à partir de la valeur mesurée===
La valeur mesurée par un moulinet est une valeur locale. En multipliant les mesures en différents points de l'écoulement il est donc possible d'établir des profils de vitesse et d'en déduire la valeur de la vitesse moyenne. Les principes mis en œuvre pour calculer cette valeur de vitesse moyenne à partir des différentes mesures locales sont présentés dans l'article [[Courantomètre (HU)|courantomètre]].
===Avantages et inconvénients===
Les moulinets sont principalement utilisés pour réaliser des [[Jaugeage (HU)|jaugeages]] et ainsi établir des [[Courbe de tarage (HU)|courbes de tarage]] pour des sections de contrôle en rivières. En hydrologie urbaine, et plus particulièrement en réseau d’assainissement, les moulinets sont plus difficiles à utiliser, d'une part en raison des divers objets et matières transportés par l’écoulement et susceptibles de bloquer l’hélice et d'autre part du fait des difficultés d'accès et du caractère intrusif et perturbateur du dispositif.
Pour en savoir plus : [[Moulinet (HU)]].
==Mesurage par courantomètre électromagnétique==
===Principes de la méthode===
Les courantomètres électromagnétiques reposent sur le principe qu'un liquide conducteur traversant un champ magnétique crée une différence de potentiel proportionnelle à la vitesse d'écoulement. Les appareils de ce type utilisent donc un champ magnétique d'intensité constante, généré par une bobine intégrée dans l'appareil. La tension produite est mesurée par deux électrodes également moulées dans la sonde.
Comme indiquée, cette tension est proportionnelle à la vitesse de déplacement du fluide conducteur, mais également à la puissance du champ magnétique et à la distance séparant les électrodes, ce qui permet d'ajuster la sensibilité (voir relation (4)).
La sonde, à laquelle on donne une forme hydrodynamique pour perturber le moins possible l'écoulement, est de taille réduite (quelques centimètres de diamètre et une dizaine de cm de longueur). Pour effectuer les mesures, on la fixe à l'extrémité d'une tige graduée qui permet de connaître sa profondeur dans l'écoulement (''figure 4'').
[[File:courantomètre_electromagnetique.png|400px|center|thumb|
===Calcul de la vitesse moyenne à partir des valeurs mesurées===
La valeur mesurée par un courantomètre est une valeur locale. En multipliant les mesures en différents points de l'écoulement il est donc possible d'établir des profils de vitesse et d'en déduire la valeur de la vitesse moyenne. Les principes mis en œuvre pour calculer cette valeur de vitesse moyenne à partir des différentes mesures locales sont présentés dans l'article [[Courantomètre (HU)|courantomètre]].
La plupart des dispositifs de ce type sont donc portables et mis en œuvre pour des opérations de [[Tarage (HU)|tarage]] ou de calibration d'un autre type de vélocimètre. Il est cependant possible d'utiliser des sondes fixes utilisant ce principe et positionnée au fond ou en paroi (voir le § ''Vélocimètre électromagnétique'').
===Avantages et inconvénients===
Ce type de sonde, peu intrusive du fait de sa petite taille et très légère (quelques centaines de grammes), est bien adaptée pour mesurer des champs de vitesse dans des conduites d'assainissement ou dans les petits cours d'eau. L'absence de pièces mobiles limite le risque de perturbations dues aux déchets transportés dans l'écoulement. L'eau pure étant un très mauvais conducteur, ce type de solution fonctionnera d'autant mieux que l'écoulement sera chargé en sel dissous.
L'étendue de mesure, variable selon les modèles, commence généralement à quelques cm/s et peut aller jusqu’à 6 à 10 m/s. Elle est généralement suffisante, sauf pour les écoulements très rapides. La précision est de l'ordre de 1% et l'étalonnage est très stable dans le temps. Le cycle de mesurage étant généralement inférieur à 1 seconde, la vitesse de poursuite est largement suffisante.
==Mesurage du temps de transit par des sondes à ultrasons==
===Principes de la méthode===
Le principe consiste à mesurer la différence de vitesse d'une onde ultrasonore selon qu'elle se déplace dans le sens de l'écoulement (dans ce cas la vitesse de l'eau s'ajoute à la vitesse de l'onde) ou en sens contraire (dans ce cas la vitesse de l'eau se retranche à la vitesse de l'onde). Pour ceci on place deux sondes face à face, alignées suivant une droite parallèle à la pente du fond et biaise par rapport à l’axe principal (''figure 5''). Ces sondes sont alternativement émettrices et réceptrices et on compare le temps mis par l'onde dans le sens amont-aval () avec le temps mis par l'onde dans le sens aval-amont (). On désigne cette méthode sous le nom de "méthode du temps de transit" ou de "méthode du temps de vol".
[[File:velocimètre_corde_ultra_sonb.PNG|600px|center|thumb|
Comme la distance est la même dans les deux sens, le temps de parcours est inversement proportionnel à la vitesse de transmission du signal. Connaissant la distance entre les deux sondes et l'angle entre la corde joignant les deux sondes et l'axe de l'écoulement, on peut donc facilement en déduire une vitesse moyenne de l'écoulement le long du trajet suivi par le train d'ondes, soit par la relation (1), soit par la relation (2).
Avec :
* : vitesse moyenne de l'écoulement dans la direction moyenne de l’écoulement (m/s) ;
* : distance entre les deux sondes (m) ;
* : angle entre l'axe du train d'onde et la direction moyenne de l’écoulement, généralement parallèle aux bords de la conduite ou du canal :
* : temps mis par l'onde dans le sens amont-aval (s) ;
* : temps mis par l'onde dans le sens aval-amont (s) ;
* : différence de temps de transit entre les deux sens de propagation (m/s).
Il faut noter que ces relations ne font pas apparaitre de façon explicite la vitesse de propagation des ondes dans l'eau ; les valeurs de vitesse ainsi calculées sont donc en théorie indépendantes de cette vitesse de propagation, donc de la température de l'eau.
Cette méthode est décrite dans la norme [https://www.iso.org/fr/standard/62152.html NF ISO 6416-2017].
===Calcul de la vitesse moyenne de l'écoulement à partir de la valeur mesurée===
Comme indiqué précédemment, cette méthode fournit une valeur de vitesse moyenne de l'écoulement le long du trajet suivi par le train d'ondes. Ce mesurande n'est pas directement utile car il ne correspond seul à aucune valeur d'intérêt, et, en pratique, on essaye surtout d'utiliser cette information pour calculer la vitesse moyenne de l'écoulement dans une section droite.
Si les deux sondes sont bien installées à la même profondeur, la valeur mesurée intègre des valeurs de vitesses d'écoulement qui peuvent varier de l'amont vers l'aval (entre les deux sondes, ''figure 6''), mais également sur la section transversale à l'écoulement (''figure 7'')
[[File:velocimètre_corde_ultra_son2b.PNG|600px|center|thumb|
[[File:velocimètre_corde_ultra_son1b.PNG|600px|center|thumb|
On peut le plus souvent faire l'hypothèse que les profils en travers des vitesses sont voisins dans toutes les sections droites d'écoulement situés entre les deux sondes. En effet, les deux sondes sont généralement assez proches et on cherche à les installer sur une portion de bief sur laquelle l'écoulement reste sensiblement homogène.
En revanche, les valeurs des vitesses varient, à une même profondeur, selon la position dans la section transversale et le rapport entre la moyenne des vitesses sur une corde et la moyenne des vitesses dans une section droite dépend de la profondeur de la corde (voir aussi ''figure 7''). La relation entre le mesurande et la valeur d'intérêt est donc compliquée et variable selon la hauteur d'eau dans la conduite ou le canal, et donc le débit.
D'autre part, pour obtenir une bonne relation, il serait souhaitable que la corde de mesure soit située juste sous la surface libre de façon à passer par la zone où la vitesse est maximum (''figure 7''). Mais il n'est pas possible de placer les sondes trop haut car sinon elles seraient hors d'eau pour les faibles débits.
Une solution possible consiste à installer plusieurs paires de sondes à différentes hauteurs de façon, d'une part à toujours avoir des sondes immergées, et, d'autre part, à calculer des vitesses moyennes transversales à différentes profondeurs. Cette solution, associée à une mesure de la hauteur d'eau est efficace mais nécessite des installations plus compliquées et plus couteuses. La [https://www.iso.org/fr/standard/62152.html norme ISO 6416] fournit des recommandations pour ce type de mesure.
===Avantages et inconvénients===
La méthode des temps de transit est une méthode ancienne et très bien maîtrisée. Les incertitudes sur le mesurande sont faibles, l'étendue de mesures couvre largement la variabilité des vitesses que l'on peut observer et la vitesse de poursuite est également largement suffisante.
Les principaux inconvénients de cette technique sont les suivants :
* incertitudes associées au calcul de la vitesse moyenne à partir de la vitesse mesurée sur une corde (voir § précédent) ;
* difficulté d'installation des sondes (surtout dans les grands collecteurs d'assainissement ou les cours d'eau), en particulier associée à la difficulté à bien aligner les sondes ;
* perte ou dispersion du signal en cas d'écoulement très chargé en [[Matières en suspension / MES (HU)|matières en suspension]] ou de la présence de bulles d'air ;
* risque de salissure des sondes lorsqu'elles ne sont pas immergées en permanence.
==Mesurage par effet Doppler==
Les vélocimètres à effet Doppler sont bien connus des automobilistes puisque c'est ce type de technologie qui est utilisé par les radars installés au bord des routes pour contrôler la vitesse des véhicules. Le principe de ce type de mesurage est assez simple : on envoie une onde de fréquence connue vers un objet en mouvement et on mesure la fréquence de l'onde retour qui s'est réfléchie sur l'objet. Celle-ci va être raccourcie ou augmentée selon que l'objet se rapproche ou s'éloigne de la sonde. La vitesse de l'objet est directement liée au décalage de fréquence entre l'onde émise et l'onde réfléchie.
Nota : Il est bon de garder à l’esprit que la vitesse du son dans l’eau (1 500 m/s, soit environ 5 400 km/h) est plus de 4 fois supérieure à celle dans l’air (344 m/s, soit environ 1 240 km/h).
En hydrologie, ce principe peut être utilisé de trois façons différentes, utilisant des longueurs d'onde (inverses de la fréquence) variées, pour mesurer la vitesse d'un écoulement :
* soit ce sont les particules en suspension ou les bulles d’air transportées par l’écoulement qui constituent les objets réfléchissants et on peut mettre en œuvre :
** soit une '''sonde ultrasonique''', le plus souvent immergée (''figure 8''),
** soit une '''sonde laser aérienne ''', émettant, généralement dans l'infra-rouge, un rayonnement très fin et suffisamment énergétique pour pénétrer dans le liquide (''figure 9'') ;
* soit on utilise la rugosité de la surface du liquide pour réfléchir le faisceau d'onde et on met en œuvre une '''sonde radar aérienne''' émettant des ondes radio de longueurs d'onde millimétriques ou centimétriques (''figure 10'').
[[File:Velocimètre_doppler_ultrason.PNG|600px|center|thumb|
[[File:velocimètre_doppler_laser.PNG|600px|center|thumb|
[[File:velocimètre_doppler_radar.PNG|600px|center|thumb|
Ces trois solutions techniques sont présentées dans les § suivants.
===Mesurage par sonde ultrasons immergée===
====Principes de la méthode====
La sonde, qui fonctionne alternativement en émission puis en réception, est toujours immergée, généralement face à l'écoulement (c'est à dire tirant de l'aval vers l'amont). Elle peut être fixée (voir ''figure 12'') :
* sur le radier de la conduite ou du canal, c'est le cas le plus fréquent ;
* sur la paroi, parfois juste au-dessus du radier (par exemple dans le cas de présence de dépôts), ou parfois beaucoup plus haut ;
* sur un dispositif flottant ; la mesure est alors faite à partir de la surface, voir ''figure 11'' et ''figure 15'' ainsi que le nota.
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Nota : La solution de pose de la sonde sous flotteur a été testée à Marseille dès le milieu des années 1990 et a fait l'objet du dépôt d'un brevet à l’INPI (SERAM et Laplace, 1995) (brevet maintenant expiré).
La sonde émet une onde ultrasonore sinusoïdale (pour la plupart des produits commerciaux de fréquence comprise entre 300 kHz et 2 Mhz), avec un angle généralement compris entre 30° et 65° par rapport à la direction de l’écoulement. Cette onde se propage en formant un cône qui définit le volume de mesure exploré, lequel dépend de la puissance et de la position de la sonde, de l'angle solide dans lequel le faisceau est émis, mais aussi de la charge en matières en suspension, etc. (voir ''figure 12'').
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L’onde ultrasonore est réfléchie vers le capteur, principalement par les particules en suspension ou les bulles d'air transportées dans l'écoulement (voir Nota 1). Or, la vitesse de l'écoulement varie dans une section transversale ; l'onde réfléchie va donc être décalée en fréquence de façon différente selon la position des particules qui l'ont réfléchie. De plus, l'eau et les particules absorbent et diffusent une partie de l'énergie, celle-ci diminue au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la sonde (''figure 13'').
[[File:velocimètre_doppler_ultrasons_birgrand.PNG|800px|center|thumb|
L’information brute recueillie par le capteur se présente donc sous forme d’un spectre d’énergie reçue en fonction de la vitesse (en réalité de la fréquence) (''figure 14''). Cette information complexe nécessite un traitement numérique et statistique pour la rendre exploitable et la convertir en une valeur unique de vitesse. En effet, les spectres varient en fonction de très nombreux facteurs : débit, géométrie du collecteur, volume exploré, concentration en matières en suspension, granulométrie et répartition des matières en suspension, etc. Les diverses méthodes employées par les fabricants reposent sur des techniques d’analyse spectrale et de transformées de Fourier (Bertrand-Krajewski ''et al.'', 2008). Elles conduisent à un résultat qui peut être, selon les cas :
* la vitesse moyenne observée dans le volume de mesure ;
* la vitesse la plus fréquente observée dans le volume de mesure ;
* la vitesse maximale observée dans le volume de mesure.
[[File:velocimètre_doppler_ultrasons_jlbk1.PNG|600px|center|thumb|
Chaque fabricant a développé et mis au point une technique de traitement du signal, laquelle est généralement brevetée. De ce fait, elle n’est pas publiée ni expliquée en détail à l’utilisateur. Ce dernier est donc contraint de "faire confiance" au fabricant (Bertrand-Krajewski ''et al.'', 2008), ou, à défaut, de procéder lui-même à un étalonnage (voir § calcul de la vitesse moyenne à partir du mesurande).
Nota 1 : Cette technique de mesure admet donc comme hypothèse fondamentale que les particules ou les bulles d’air, qui constituent l'obstacle sur lequel se réfléchit le train d'ondes, se déplacent avec la même vitesse que l'eau.
Nota 2 : Il existe également des dispositifs fonctionnant sur le principe du Doppler pulsé. Dans ce cas le train d’ondes ultrasonores est émis sous la forme d'impulsions de durée courte et espacées dans le temps. Lorsque le capteur fonctionne en réception, il ne reçoit que les échos générés par une impulsion particulière, le temps de retour étant proportionnel à la distance entre la source et les particules ayant réfléchi le signal. Si, en plus, le signal est émis dans un cône d'angle solide fermé, chaque impulsion explore alors un petit volume d’eau, à la fois en termes de distance et de surface. Cette technique par Doppler pulsé est utilisée par certains [[Courantomètre (HU)|courantomètres]]. On peut ainsi procéder au mesurage de vitesses "ponctuelles" et échantillonner le champ de vitesse.
Nota 3 : la plupart des fabricants fournissent avec la valeur dite de vitesse, un indicateur de qualité de cette même vitesse (souvent exprimée sous la forme de %), mais les modalités du calcul ne sont généralement pas publiées. Certains produits fournissent plusieurs indicateurs, généralement basés sur une notion de SNR (pour ''Signal Noise report'', soit Rapport Signal Bruit) caractérisant le rapport entre la puissance reçue et la puissance émise ou encore la portion du spectre reçu pouvant être exploitable.
Nota 4 : une sonde de température permet généralement de tenir compte de cette variable et de corriger automatiquement la vitesse du son dans l’eau ; en théorie il faudrait également tenir compte de la conductivité et/ou de la salinité, mais l'influence de ces variables reste la plupart du temps négligeable.
====Calcul de la vitesse moyenne à partir des valeurs mesurées====
Comme indiqué précédemment, ce type de dispositif fournit un spectre d’énergie reçue en fonction de la vitesse (''figure 13''). Ce signal fait tout d'abord l'objet d'un premier traitement pour produire une grandeur représentative de la vitesse à l'intérieur du volume de mesure (vitesse moyenne dans le volume observé, vitesse la plus fréquente ou vitesse maximale). Il est ensuite nécessaire de traiter cette grandeur représentative pour en déduire la valeur de la vitesse moyenne de l'écoulement dans une section droite. Ce traitement est encore plus délicat que le précédent, ceci pour deux raisons principales:
* selon la hauteur d'eau et les conditions d'écoulement, la répartition des vitesses dans un même volume exploré peut varier de façon importante ; la relation entre la grandeur représentative choisie pour un même volume exploré et la valeur moyenne de la vitesse d'écoulement n'est donc pas constante ;
* la distance à laquelle va parvenir le faisceau incident dépend en particulier de la concentration en matières en suspension ; le volume exploré varie donc également en permanence en fonction de cette concentration.
En pratique, on cherche souvent une relation linéaire entre les deux grandeurs (mesurande et vitesse moyenne recherchée). Les meilleures relations semblent celles qui font intervenir la vitesse maximale dans le volume exploré. La plupart des fabricants dont les produits mesurent la vitesse maximale dans le cône de liquide, utilisent simplement un coefficient de pondération empirique pour en déduire une vitesse moyenne.
Pour une relation de ce type, positionner la sonde sur un flotteur à la surface de l'écoulement semble la meilleure solution (''figure 15''). En effet, comme la vitesse maximale dans une section droite est souvent proche de la surface, cette position donne les meilleures chances que la vitesse maximale mesurée dans le volume exploré soit voisine de la vitesse maximale dans l'écoulement, ceci quelle que soit la hauteur d'eau (voir aussi ''figure 12'').
[[File:velocimètre_capteur_surface_seram.PNG|400px|center|thumb|
Les incertitudes sur la valeur finale recherchée, à savoir la vitesse moyenne, restent cependant importantes (souvent plus de 10 %, et parfois même beaucoup plus). L’appareil de mesure doit être fourni avec un certificat d’étalonnage ou un constat de vérification établi dans les règles de l’art et dans des conditions de mesure précisées. Un étalonnage ''in situ'' utilisant une autre méthode (pour peu qu’il soit réalisable) peut permettre d'améliorer la qualité de la relation entre la grandeur représentative choisie et la grandeur recherchée (vitesse moyenne de l'écoulement dans une section droite) ; la norme ISO 15 769 indique dans ce cas une incertitude sur le débit de l’ordre de 5% à 10%.
====Avantages et inconvénients====
Cette technologie est ancienne est bien maîtrisée par de nombreux fabricants. L'étendue de mesures couvre largement la variabilité des vitesses que l'on peut observer et la vitesse de poursuite est également largement suffisante. Les sondes peuvent être intégrées avec une sonde mesurant la hauteur d'eau, sur des supports préfabriqués dont les gabarits s'adaptent à la forme des conduites, ce qui facilite leur pose. Le coût de l'appareil et de son installation sont donc réduits. Les opérations de maintenance sont facilitées et, le capteur étant immergé en permanence, le contrôle de son fonctionnement ''in situ'' est toujours possible.
Dans le cas des systèmes d’assainissement, ce type de dispositif est particulièrement adapté pour les sites pour lesquels il n’existe aucune relation entre la hauteur et le débit (ce qui est très souvent le cas des sites de [[Diagnostic permanent (HU)|diagnostic permanent]] pour lesquels il n’existe en général aucune [[Section de contrôle (HU)|section de contrôle]] hydraulique), ou pour les sites pour lesquelles le comportement hydraulique est inconnu. En permettant d’accéder à la fois à la vitesse et à la hauteur, ce type de sonde constitue un très bon moyen d’acquérir des données pour une analyse hydraulique.
Cependant, outre l'incertitude importante sur la valeur déduite de vitesse moyenne que nous venons d'indiquer, elle présente plusieurs inconvénients :
* elle ne peut fonctionner que si la concentration en matières en suspension est suffisante (aucune mesure n'est possible en eau claire) ; les indicateurs de qualité tenant compte du nombre d'échos reçus peuvent donc fournir des indications intéressantes ;
* elle n'explore qu'un volume restreint, ce qui est rédhibitoire lorsque la section mouillée ou la largeur de la surface libre devient grande ;
* la sonde est vulnérable lors d’opération de [[Curage (HU)|curage]] ou d’[[Hydrocurage (HU)|hydrocurage]] lorsqu’elle est implantée en radier ou en paroi ;
* la sonde est soumise à l’ensablement lorsqu’elle est implantée en fond d’écoulement.
Elle ne convient donc pas au mesurage de la vitesse dans les cours d'eau.
Cette technique peut en revanche être souvent préconisée en réseau d'assainissement, pour les sites de mesure provisoires comme pour les sites permanents.
===Mesurage par sonde laser aérienne===
====Principes de la méthode====
Il s'agit de l'adaptation, récente en hydrologie, d'une technologie utilisée dans d'autres domaines (par exemple mesurage de la vitesse des gaz, par ensemencement en particules, ou mesurage de la vitesse d'un flux sanguin, par suivi des globules rouges). Le principe consiste à utiliser un faisceau très étroit (faisceau laser) et de très petite longueur d'onde (rayonnement infrarouge) produit par une sonde placée au-dessus de l'écoulement (''figure 9''). Ce type de rayonnement, très énergétique, peut pénétrer dans la veine liquide et se réfléchir dès qu'il rencontre une particule ou une bulle d'air. La sonde se met alors en mode réception et mesure le temps mis pour effectuer le trajet aller-retour ainsi que le décalage en fréquence entre l'onde émise et l’onde réfléchie. Il en déduit la vitesse locale de l'écoulement qu'il associe à la position et à la vitesse de la particule au point de mesure.
Ce faisceau peut être focalisé dans une direction précise pour mesurer la vitesse des particules à différentes distances (donc à différentes profondeurs si l'on connaît la hauteur d'eau), ce qui permet de reconstituer le profil en travers des vitesses ou de déterminer des grandeurs spécifiques comme, par exemple, la vitesse maximum (''figure 15''). Le capteur est placé au-dessus de l'écoulement qu'il ne perturbe donc pas. La profondeur à laquelle ces ondes peuvent pénétrer dépend de la constante diélectrique du liquide ; dans les réseaux d'assainissement la profondeur de pénétration dans l’eau est estimée entre 15 et 20 cm.
Cette technique de mesurage admet également comme hypothèse fondamentale que les particules ou les bulles d’air se déplacent avec la même vitesse que l'eau.
[[File:velocimètre_doppler_laserflow.PNG|800px|center|thumb|
====Calcul de la vitesse moyenne====
Comme la technologie est capable d'explorer le champ de vitesse dans une section transversale, le calcul de la vitesse moyenne de l'écoulement dans cette section peut se faire de façon satisfaisante. Il est important de noter que ces traitements nécessitent de connaître la profondeur de chaque point de mesure et donc un mesurage de la hauteur d'eau en parallèle à celui du champ de vitesse. Les fabricants proposent donc des capteurs intégrés (vitesse-hauteur) qui permettent le calcul direct du débit, la section mouillée pouvant être déduite de la valeur de la hauteur d'eau.
Nota : Pour les systèmes intégrés de mesure du débit, certains fabricants proposent de mettre en œuvre une troisième sonde, permettant le mesurage de la vitesse par une autre technologie, et utilisable lorsque la conduite est en charge et que la sonde laser est noyée.
====Avantages et inconvénients====
Il s'agit d'une technologie relativement récente et avec encore assez peu de retours d'expériences opérationnelles, même si les premiers essais ont commencé au début des années 2010.
Cette solution n'est pas intrusive et ne perturbe donc pas l'écoulement. Les incertitudes sur le mesurande sont très faibles, l'étendue de mesures couvre largement la variabilité des vitesses que l'on peut observer et la vitesse de poursuite est également largement suffisante. Le calcul de la vitesse moyenne de l'écoulement, à partir des mesures locales effectuées, peut se faire dans de très bonnes conditions (voir article [[Courantomètre (HU)]] pour le principe des calculs).
===Mesurage par sonde radar aérienne===
====Principes de la méthode====
La sonde radar est positionnée au-dessus de l'écoulement. Elle émet un faisceau d'ondes radio (longueur d'onde millimétrique ou centimétrique) dans un cône d'une ouverture de l'ordre de 10° et faisant un angle de 30° à 60° par rapport à l'axe de l'écoulement (''Figure 9''). La surface illuminée par le faisceau se présente sous la forme d'une ellipse. Elle réfléchit une partie de l'énergie du fait de la rugosité de surface et de la différence de densité entre l'eau et l'air. La sonde se met alors en mode réception, mesure le décalage de fréquence entre le flux émis et le flux reçu et en déduit la vitesse moyenne de surface sur la zone échantillonnée.
Les vélocimètres de ce type sont généralement couplés à un limnimètre permettant le mesurage de la hauteur dont on déduit la section mouillée et donc le débit.
Nota : La fréquence actuelle la plus utilisée est de 24 Ghz. Il est également possible d'utiliser d'autres longueurs d'onde, en particulier dans le visible, les infrarouges ou les ultraviolets (sondes lidar).
Les fabricants fournissent généralement un kit de montage avec un support pour fixer l'appareil (vélocimètre et limnimètre associé) (''figure 15'').
[[File:velocimètre_radar_DL-SERAM.jpg|600px|center|thumb|
Pour que le mesurande (vitesse moyenne de surface sur la zone échantillonnée) soit représentatif de la vitesse moyenne de surface, il est important que le petit axe de l'ellipse illuminée par le faisceau soit suffisant par rapport à la largeur de la surface libre, sans cependant que les bords du faisceau ne soit trop proches des parois. La largeur de ce petit axe varie en fonction de l'angle d'ouverture du faisceau, de l'angle d'inclinaison du faisceau par rapport à l'axe de l'écoulement, mais également de la distance entre la sonde et la surface libre. Or cette distance dépend de la hauteur d'eau dans la conduite ou dans le cours d'eau. Il faut donc bien choisir les conditions d'implantation de la sonde pour que les mesures obtenues soient représentatives de la grandeur recherchée, ceci pour la plage de remplissage de la conduite (ou la hauteur d'eau dans le canal) désiré. A titre d'exemple, le tableau de la ''figure 16'' indique les valeurs du petit axe de l'ellipse pour un angle d'ouverture du faisceau de 10°, différentes inclinaisons de l'axe du faisceau et différentes distances verticales entre la sonde et la surface de l'écoulement.
[[File:Vélocimètre_radar_taille_ellipse.PNG|400px|center|thumb|
====Calcul de la vitesse moyenne à partir des valeurs mesurées====
La vitesse moyenne dans une section transversale de l'écoulement est liée par une relation relativement stable à la vitesse moyenne de surface, en particulier dans les réseaux d'assainissement.
On retient généralement une relation de la forme :
Avec :
* : vitesse moyenne de l'écoulement (m/s) ;
* : vitesse moyenne de surface (m/s) ;
* : hauteur d'eau (m) ;
* : coefficient de proportionnalité fonction de la hauteur d'eau (sans dimension).
Les fabricants proposent généralement des valeurs pour le coefficient . Il est cependant préférable de faire un calage sur place de façon à ajuster ce coefficient, si possible pour différentes valeurs de hauteur d'eau (soit par [[Traçage (HU)|traçage]], soit avec un autre type de dispositif, courantomètre par exemple, voir § suivant).
====Avantages et inconvénients====
Cette technique présente l'intérêt de ne pas être intrusive. Elle ne modifie donc pas l'écoulement et comme l'appareil n'est pas immergé il se salit moins et sa maintenance est facilitée. Les appareils installés en voûte dans un réseau d'assainissement sont cependant proéminents et risquent d'être détériorés, par exemple lors de l'entretien des collecteurs par les outils de curage ou en cas de [[Mise en charge (HU)|mise en charge]] du réseau.
Les incertitudes sur le mesurande sont acceptables, l'étendue de mesures couvre largement la variabilité des vitesses que l'on peut observer et la vitesse de poursuite est également largement suffisante. Il est cependant nécessaire que la surface de l'eau ne soit pas lisse pour que ce type de mesure soit efficace (la hauteur des vaguelettes doit créer une rugosité apparente au moins de l'ordre du mm).
Nota : Les radars de surface existent également en version portable, ce qui est particulièrement pratique pour effectuer des mesures de contrôle des installations fixes.
==Mesurage par dispositif électromagnétique==
===Principes généraux de la méthode===
Les vélocimètres électromagnétiques, comme les courantomètres électromagnétiques présentés plus haut, reposent sur le principe qu'un liquide conducteur traversant un champ magnétique crée une force électromotrice (fem) proportionnelle à la vitesse d'écoulement (relation (4)). Les appareils de ce type utilisent donc un champ magnétique d'intensité constante, généré par une ou plusieurs bobine(s). Deux électrodes mesurent la tension générée lorsque le fluide circule dans ce champ.
Avec :
* : Vitesse mesurée (m/s) ;
* : Différence de potentiel mesurée aux électrodes (V) ;
* : Intensité du champ magnétique (T) ;
* : Distance entre les électrodes (m) (généralement égale au diamètre de la conduite) ;
* : coefficient de proportionnalité (sans dimension, théoriquement égal à 1).
L'eau pure étant un très mauvais conducteur, cette solution fonctionnera d'autant mieux que l'écoulement sera chargé en sel dissous (ce qui est facilement vérifié dans les réseaux d'assainissement). Ce type de dispositif a été développé à l'origine pour les écoulements en charge (conduites d'eau potable en particulier). Son application a été étendue aux écoulements à surface libre avec différents types d'adaptation :
* Mesurage d'une (ou de plusieurs) vitesse(s) locale(s) à l'aide d'un ou plusieurs courantomètre(s) fixé(s) au fond et/ou sur les paroi(s) (''figure 17'') ;
* Mesurage direct d'une vitesse moyenne en insérant un vélocimètre sous la forme d'un tronçon spécifique de même diamètre que (ou de diamètre inférieur à) la conduite (cette solution n'est possible qu'en réseau) (''figures 18 et 19'') ;
* Mesurage direct d'une vitesse moyenne en insérant un dispositif adaptable en bas du profil de la conduite ou du canal (''figure 20'').
Ces trois solutions sont présentées ci-dessous.
===Mesurage d'une ou de plusieurs vitesses locales===
Le mesurage de la vitesse locale est effectué au moyen d’un capteur électromagnétique à électrodes affleurantes, dont la forme générale est semblable à celles des sondes Doppler. Fixé sur le radier ou la paroi du collecteur, le capteur détermine la vitesse locale à son voisinage immédiat (''figure 17'').
[[File:velocimètre électromagnétique 1.png|600px|center|thumb|
====Calcul de la vitesse moyenne à partir des valeurs mesurées====
La valeur moyenne est déterminée à partir de la valeur locale de la vitesse et d’un mesurage conjoint de la hauteur d’eau en faisant une hypothèse sur la forme du profil vertical de vitesse au droit du capteur (on adopte généralement un profil logarithmique) (''figure 17''). Comme la zone échantillonnée par ce type de technologie est très réduite et très proche du radier ou de la paroi, la vitesse locale est souvent très faible et l'incertitude sur la vitesse moyenne est très grande.
====Avantages et inconvénients====
En plus de l'incertitude sur la vitesse moyenne, cette solution présente un autre inconvénient important, en particulier si le capteur est positionné au radier : Les électrodes s'encrassent rapidement, ce qui perturbe le mesurage et nécessite des nettoyages très fréquents. De plus, la sonde implantée en radier est soumise à l’ensablement et elle est vulnérable lors d’opération de curage ou d’hydrocurage. Cette solution n'est donc pas conseillée.
===Mesurage avec une section spécifique===
Cette solution est directement inspirée des techniques utilisées dans les conduites fonctionnant en charge. Elle consiste à insérer dans la canalisation une section spécifique qui se présente sous la forme d'une manchette compacte constituant le vélocimètre (''figures 18 et 19''). Deux solutions sont possibles pour adapter le dispositif aux écoulements à surface libre.
[[File:vélocimètre_électromagnétique_jlbk.PNG|600px|center|thumb|
Dans le premier cas on utilise le même dispositif que pour les écoulements en charge. Le champ magnétique d'intensité constante est généré par deux bobines, une de chaque côté du tube de mesure. Deux électrodes situées sur la paroi intérieure du tube détectent la tension générée lorsque le fluide circule dans ce champ. Le tube de mesure et les électrodes sont isolés électriquement du fluide par un revêtement non conducteur (par exemple en caoutchouc, téflon, etc.) (https://www.fr.endress.com/fr/instrumentation-terrain-sur-mesure/debit-mesure-produits/mesure-debit-debitmetre-electromagnetique) (''figure 18''). La mesure de la différence de potentiel permet de déterminer une valeur de vitesse moyenne dans la section de l'écoulement. On complète le mesurage de la vitesse par un mesurage de la hauteur d'eau mettant en œuvre une autre technologie.
Dans le second cas, la paire unique d’électrodes sur un diamètre est remplacée par trois paires d’électrodes sur la moitié inférieure de la conduite. Les forces électromotrices induites varient avec le remplissage, ce qui permet de déterminer à la fois la vitesse et la hauteur d’eau.
Nota : Le schéma d'installation proposé par la ''figure 19'' est souvent peu efficace. En effet, l’engouffrement dans la conduite 2 conduit en général à un écoulement torrentiel qui se maintient jusqu’au débitmètre et qui rend la mesure très imprécise (faible hauteur, surface libre agitée).
[[File:Capture d’écran 2024-07-19 115523.png|800px|center|thumb|
====Calcul de la vitesse moyenne à partir des valeurs mesurées====
La vitesse des filets liquides varie selon leur position dans la section (voir ''figures 1, 8 ou 12''). Comme la force électromotrice induite est proportionnelle à la vitesse, chaque filet liquide produit donc un courant électrique avec une différence de potentielle différente. La force électromotrice globale mesurée par les deux électrodes résulte donc de la combinaison de l'ensemble de ces forces électromotrices élémentaires. Si le champ magnétique est parfaitement homogène dans la section mouillée (ce qui est le cas pour les bons appareils du commerce), et du fait de la relation linéaire entre fem et vitesse, la force électromotrice mesurée est également directement proportionnelle à la vitesse moyenne de l'écoulement. Il est cependant nécessaire que celui-ci soit monodimensionnel et symétrique par rapport à l’axe du collecteur. Cette condition impose d'avoir une longueur droite égale, au minimum (voir nota), à 10 fois le diamètre à l’amont et 5 fois le diamètre à l’aval de l'appareil. En pratique la qualité du mesurage est cependant peu affectée par le profil de vitesse. L'utilisation des vélocimètres électromagnétiques dans les conduites fermées est régie par la norme [https://www.boutique.afnor.org/fr-fr/norme/nf-en-iso-20456/mesurage-du-debit-des-fluides-dans-les-conduites-fermees-lignes-directrices/fa196815/84225 NF EN ISO 20456]
Nota : Dans le cas des écoulements à surface libre, une longueur droite égale à 10 fois le diamètre à l'amont de la sonde est souvent insuffisante pour stabiliser l'écoulement et permettre une mesure correcte du débit.
====Avantages et inconvénients====
L’étendue de mesure en vitesse va de 0,2 à 12 m/s et est généralement satisfaisante. L’incertitude de mesure sur la vitesse moyenne est un peu plus forte que pour les conduites en charge mais reste très faible (généralement inférieure à 0,5 %) à la condition que la hauteur d'eau dans la conduite soit au moins égale à 10% du diamètre. Même s'il est possible, lorsque les hauteurs d'eau sont plus faibles, de réduire la section du manchon inséré dans le réseau, celle solution n'est pas préconisée, en particulier pour les réseaux unitaires. Les fabricants fournissent généralement des tableaux ou des abaques permettant à l’utilisateur de choisir le modèle adapté à ses besoins.
Ce type d'appareil doit être installé à demeure et nécessite une intervention lourde sur le réseau. ll est par exemple recommandé d’aménager la chambre de mesures avec des regards de visite, des vannes ou des tampons permettant de réaliser facilement les opérations d’exploitation de ces ouvrages :
* vanne murale en amont pour isoler le point de comptage avec aménagement éventuel d’un by-pass vers l’aval ;
* regard avec piège à cailloux qui permet de l’aspiration des déchets de la surface avec un camion autocureur ;
* tampon de contrôle de la hauteur ou de nettoyage a l’aval immédiat de la manchette (GRAIE, 2014b).
Par ailleurs elle n'est pratiquement utilisable que pour les conduites circulaires de petits diamètres (moins de 500 à 600 mm).
Pour en savoir plus : https://www.fr.endress.com/fr/instrumentation-terrain-sur-mesure/debit-mesure-produits/mesure-debit-debitmetre-electromagnetique
===Mesurage avec un profilé===
La solution précédente n'est pas utilisable pour les cours d'eau, les canaux ouverts ou les conduites de grande dimension. Dans ce cas une solution consiste à installer les bobines et les électrodes sur un profilé que l'on positionne dans la partie basse du canal (''figure 20'').
[[File:velocimètre électromagnétique 2_jlbk.png|600px|center|thumb|
Cette solution est citée ici pour mémoire car elle est très peu utilisée.
==Autres dispositifs==
===Mesurage par imagerie de surface===
L'idée consiste à mesurer la vitesse de l'écoulement en surface par le suivi automatique des éléments flottants. Les images captées par une caméra sont télétransmises et traitées par un logiciel capable de suivre automatiquement le déplacement des objets flottants et d'en déduire une vitesse de surface. Ce type de suivi est généralement associé à celui du niveau en installant une échelle limnimétrique dans le champ de la caméra.
L'avantage principal de cette solution est que, en cas d'alerte, un opérateur humain peut venir contrôler l'image et confirmer la mesure en temps réel, ce qui est difficile avec les autres dispositifs. La sensibilité de ce type de solution dépend de la qualité de l'image télétransmise (la sensibilité étant égale à la taille du pixel), et de la distance entre la caméra et l'écoulement. Elle nécessite la présence de flottants.
Ces installations ne posent pas trop de difficultés pour les cours d'eau. En revanche elles sont plus compliquées à installer dans une conduite fermée, avec un risque d'arrachage de la caméra en cas de mise en charge. De plus elles nécessitent souvent de mettre un éclairage pour pouvoir effectuer des mesurages pendant la nuit, ce qui impose une alimentation électrique.
===Règles à jauger===
Le principe des règles à jauger (ou perches à charge dynamique transparente) consiste à mesurer la différence de niveau d’eau entre l’amont et l’aval d’une planche opposée à l’écoulement et d'en déduire la vitesse en utilisant une relation d’étalonnage semi-empirique (''figure 21'').
[[File:règle_a_jauger_inrae.PNG|400px|center|thumb|
Il s'agit d'un outil de jaugeage peu coûteux (de l'ordre de 200€), facile et rapide à utiliser, fournissant des débits fiables dans les bonnes conditions d’application (vitesse supérieure à 20 cm/s sur la majeure partie de la section, stabilité de la règle dans l’écoulement).
==Synthèse et éléments sur les incertitudes==
Voir la [https://www.boutique.afnor.org/fr-fr/norme/nf-iso-25377/lignes-directrices-relatives-a-lincertitude-en-hydrometrie/fa195451/239163#AreasStoreProductsSummaryView norme NF ISO 25377]
Bibliographie :
* Birgand, F., Benoist, J.-C., Novince, E., Gilliet, N., Saint-Cast, P., Le Saos, E (2005) : Mesure des débits à l‘aide de débitmètres ultrasoniques Doppler ; Cas des petits cours d‘eau ruraux ; Ingénieries eau-agriculture-territoires, 2005, 41, p. 23-38 ; disponible sur https://hal.science/hal-00476108/document.
* GRAIE (2009) : Fiche Technique n°5 : Mesurage de la vitesse d’écoulement par effet Doppler ; disponible sur http://www.graie.org/graie/graiedoc/reseaux/autosurv/FT5_vitessedoppler-v4.pdf.
* GRAIE (2014a) : Fiche Technique n°7 : Mesurage de la vitesse sans contact par radar ; disponible sur http://www.graie.org/graie/graiedoc/reseaux/autosurv/FT7_vitessehauteurRadarvfin4-vf.pdf
* GRAIE (2014b) : Fiche Technique n°8b : Mesurage d'un débit en conduite non pleine par un débitmètre électromagnétique ; disponible sur https://asso.graie.org/portail/fiche-technique-n8b-mesurage-dun-debit-conduite-non-pleine-debitmetre-electromagnetique/
* Hauet, A. (2006) : Estimation de débit et mesure de vitesse en rivière par ''Large-Scale Particle Image Velocimetry'' ; thèse en Hydrologie ; Institut National Polytechnique de Grenoble (INPG) ; 322p. ; disponible sur https://theses.hal.science/tel-00116889/file/main_these.pdf.
* Reméniéras, G., Hermant, C. (1954) : Mesure électromagnétique des vitesses dans les liquides ; La houille blanche ; N° spécial B/1954 ; pp 732-746 ; disponible sur https://www.shf-lhb.org/articles/lhb/pdf/1954/02/lhb1954018.pdf
* SERAM, Laplace, D. (1995) : Dispositif de mesure du débit d'un écoulement à surface libre tenant compte des variations du niveau d'eau ; France ; brevet INPI n° 93 12 241.
* https://www.fr.endress.com/fr/instrumentation-terrain-sur-mesure/debit-mesure-produits/mesure-debit-debitmetre-electromagnetique
Pour en savoir plus :
* Bernard M. (coordinatrice) (2019) : Guide d’échantillonnage à des fins d’analyses environnementales ; cahier 7 : Méthodes de mesure du débit ; Centre d’expertise en analyse environnementale du Québec ; 321p. ; disponible sur https://www.ceaeq.gouv.qc.ca/documents/publications/echantillonnage/debit_conduit_ouvc7.pdf.
* Bertrand-Krajewski, J.-L., Laplace, D., Joannis, C., Chebbo, G. (2008) : Mesures en hydrologie urbaine et assainissement ; ed. tec et Doc, Lavoisier, Paris ; 292p. (épuisé).
* Ministère chargé de l’Environnement (2017) : Charte qualité de l’hydrométrie, Guide de bonnes pratiques, janvier 2017, 82 p. ; disponible sur https://www.eaufrance.fr/sites/default/files/documents/pdf/Schapi_Charte_hydro_P01-84_BasseDefinition_5Mo_.pdf
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vendredi 28 juin 2024
Bernard Chocat : /* Différence entre les écoulements en charge et les écoulements à surface libre */
Dernière mise à jour : 01/07/2024
Appareil permettant de mesurer le [[Débit (HU)|débit]] d'un cours d'eau ou d'une conduite.
==Différence entre les écoulements en charge et les écoulements à surface libre==
Des débitmètres intégrés simples et compacts existent pour le mesurage des débits dans les conduite en charge (par exemple les compteurs d'eau pour mesurer la consommation en eau). Comme la section mouillée de l'écoulement est constante, un simple mesurage de la vitesse est en effet suffisant (''figure 1'').
Il est beaucoup plus difficile de construire de tels appareils pour la mesure des débits dans le cas des écoulements à surface libre. Dans cette situation, la section mouillée et la vitesse varient simultanément sans qu'il existe une relation univoque entre ces deux grandeurs.
[[File:débitmètre_charge_sl.PNG|600px|center|thumb|
La plupart des mesures de débit sont donc indirectes et reposent souvent sur un double mesurage (hauteur et vitesse). Nous avons donc préféré les différentes façons de procéder dans l'article [[Débitmétrie (HU)]], sans faire spécifiquement référence à des appareils spécifiques.
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mardi 25 juin 2024
Bernard Chocat :
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Bernard Chocat :
Dernière mise à jour : 25/06/2024
Dispositif mis en place à partir de 2001 par les agences de l'eau et les ministères pour remplacer les anciennes grilles d'évaluation de la qualité des eaux de 1970, non homogènes entre les différents bassins. Le système était applicable, sur la base de grilles spécifiques, aux cours d'eau, aux plans d'eau, aux eaux souterraines, aux eaux littorales et estuariennes.
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mercredi 19 juin 2024
Bernard Chocat : Page créée avec « Voir Limnimètre (HU) Catégorie:Dictionnaire_DEHUA Catégorie:Hydrométrie_et_débitmétrie_(HU) »
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vendredi 14 juin 2024
Bernard Chocat : Page créée avec « Dernière mise à jour : 14/06/2024 MOHYS est un modèle de propagation modèles de propagation d'ondes de crue u... »
MOHYS est un modèle de propagation [[Modèle de propagation d’ondes de crue (HU)|modèles de propagation d'ondes de crue]] utilisé en particulier sur la [[Plate-forme Plathynes (HU)|plate-forme Plathynes]] pour la [[Prévision des crues : les modèles utilisés (HU)|prévision des crues]].
MOHYS a été développé à l'origine par le [[Service de prévision des crues (HU)|SPC]] Loire-Allier-Cher-Indre. Il a été rajouté à la plate-forme Plathynes en 2023.
==Principes du modèle MOHYS==
MOHYS repose originellement sur un modèle de [[Translation simple (HU)|translation simple]]. Ce type de modélisation représente la translation de l'onde de crue par décalage temporel fixe sans intégrer de processus d'atténuation. Il a ensuite été adapté pour intégrer un coefficient multiplicatif permettant de prendre en compte d'éventuels effets de laminage ainsi qu'une procédure de lissage. Ces différents modèles sont appliqués sur chacune des branches en utilisant une méthode de composition dérivée de la théorie de l'[[Hydrogramme unitaire (modèle de l') (HU)|hydrogramme unitaire]].
===Évaluation du décalage temporel===
Dans MOHIS, le temps de propagation (initialement estimé par le décalage temporel entre les pointes de débit amont et aval) n'est pas fixe. Il peut dépendre de la profondeur de l'écoulement, de l'activation du lit majeur, de la géométrie du réseau hydrographique. Par ailleurs, ce temps de propagation peut être ajusté en temps réel, par exemple en tenant compte de la pointe de crue observée ou prévue à une station hydrométrique amont, du débit maximal sur les heures précédentes, etc.
===Prise en compte des apports intermédiaires et du laminage===
Les stations de mesure permettant de connaître le débit provenant des différents affluents jaugés sont rarement situés au droit de leurs confluences avec le cours d'eau principal. Il est donc souvent nécessaire de prendre en compte les apports intermédiaires dus aux surfaces actives situées entre la station de mesure et la confluence. De plus, certains affluents ne sont pas jaugés. Pour corriger cet effet, il est possible d'appliquer à l'hydrogramme aval un coefficient multiplicatif variable. La même procédure (coefficient multiplicatif variable) permet également de tenir compte du laminage de la crue dû au transfert.
===Lissage des ondes de crue propagées===
MOHYS traite indépendamment les ondes de crue provenant des différentes branches du réseau hydrographique.
MOHYS intègre également un [[Hydrogramme unitaire instantané / HUI (HU)|hydrogramme unitaire]] associé à chaque station hydrométrique amont. Cela permet de lisser les ondes de crues propagées, ce qui s'avère indispensable en aval des grands ouvrages hydrauliques où les changements rapides de consigne d'évacuation de crue sont lissés temporellement par l'environnement naturel du cours d'eau. Cette fonctionnalité peut être annulée lorsque le modélisateur définit une fonction Dirac.
MOHYS offre donc un formalisme qui s'adapte à un grand nombre de situations connues lorsque le modélisateur chercher à représenter la propagation des ondes de crues d'amont en aval, en intégrant aussi les affluents. Les différentes options sont illustrées à la Figure 7 qui présente les simulations de l’événement novembre 2016 sur la Loire à Digoin : au formalisme Lag and Route sont successivement ajoutés le temps de propagation variable, les coefficients d’apport et les hydrogrammes unitaires. Historiquement, la définition de l'hydrogramme unitaire optimal de MOHYS était réalisée manuellement, par itération. L'intégration du formalisme MOHYS dans PLATHYNES est l'occasion de réduire le nombre de paramètres en utilisant des formules paramétriques pour caractériser cet hydrogramme unitaire. Une vingtaine de formes ont été évaluées, que ce soient des formes géométriques simples (triangle, rectangle), des fonctions mathématiques discrètes ou des fonctions déjà proposées dans la littérature (voir notamment Le Moine 2008, Berthet 2010). La recherche des meilleures formulations paramétriques repose sur l'analyse de 133 hydrogrammes unitaires extraits de la modélisation du SPC LACI. Elle met en évidence que la fonction de Berthet (2010) est la plus ressemblante. Les formes géométriques simples sont également pertinentes pour PLATHYNES. La dernière formulation retenue (puissance) est symétrique et permet d’avoir des décroissances non linéaires autour du point central de l’hydrogramme unitaire.
jeudi 30 mai 2024
Bernard Chocat : Page créée avec « Dernière mise à jour : 30/05/2024 Société fondée en 2006 à Montpellier suite aux inondations majeures de Nîmes en 1988, de l’Aude en 1999 et du Gard en 20... »
Société fondée en 2006 à Montpellier suite aux inondations majeures de Nîmes en 1988, de l’Aude en 1999 et du Gard en 2002, dans le but d’apporter aux usagers des territoires menacés par les risques climatiques, une assistance intégrée et personnalisée de gestion de ces phénomènes (inondations, tempêtes, submersions marines, fortes chutes de neige, canicule, vagues de froids, cyclones ou typhons, etc.).
Predict Services est soutenue par Météo-France, Airbus DS Géo SA et BRL.
Pour en savoir plus :
* https://www.predictservices.com/
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[[Catégorie:Prévision_du_risque_de_crue_et_d'inondation_(HU)]]
mardi 21 mai 2024
Bernard Chocat :
Famille de [[Modèle hydrologique (HU)|modèles hydrologiques]] créés par les ingénieurs du Génie Rural (à l'origine au sein du Cemagref, devenu IRSTEA, puis INRAE) et adaptés aux bassins versants ruraux ou naturels.
==Éléments d'historique==
Les premiers modèles de la famille ont commencé à être développés au début des années 1980 pour faire le lien entre la lame d'eau précipitée sur un bassin versant et son débit à l'exutoire (Michel, 1983). Il s'agissait de construire des [[Modèle global et modèle semi-distribué (HU)|modèles globaux]], ayant une finalité opérationnelle, et fonctionnant avec le minimum de paramètres pour faciliter leur calage. Ces développements ont été à l'origine de recherches importantes sur la transformation pluie-débit qui ont en particulier mis en évidence l'importance du pas de temps d'analyse sur les phénomènes dominants, donc sur les paramètres à prendre en compte.
La famille comprend donc différentes sous-familles qui ont été développés progressivement en fonction du pas de temps de calcul utilisé (''figure 1'') :
* : pas de temps annuel ;
* : pas de temps mensuel ;
* : pas de temps journalier ;
* : pas de temps horaire ;
* : pas de temps horaire ou infra-horaire.
Pour tous les modèles, correspond au nombre de paramètres. Le modèle est donc un modèle à 4 paramètres fonctionnant au pas de temps journalier.
[[File:GR_1.PNG|800px|center|thumb|
Les dernières évolutions de ces modèles ont consisté à les adapter pour la [[Prévision des crues : les modèles utilisés (HU)|prévision des crues]] en temps réel, avec le [[GRP (HU)|modèle ]] et a étudier l'apport d'une [[Modèle semi-distribué (HU)|modélisation semi-distribuée]].
Le lecteur intéressé trouvera sur le [https://webgr.inrae.fr/outils/modeles-hydrologiques/bref-historique site de l'INRAE] une présentation plus détaillé de cet historique.
==Structure générale des modèles GR==
Les modèles de la famille sont tous des modèles à réservoirs représentant à la fois la [[Fonction de production et fonction de transfert (HU)|production et le transfert]]. La ''figure 2'' représente de façon schématique les assemblages de réservoirs utilisés pour les modèles journaliers en fonction du nombre de paramètres. Ils peuvent fonctionner de façon événementielle ou de façon continue.
[[File:GR_2.PNG|1000px|center|thumb|
Les modèles de la famille font l'objet d'un développement continu et sont systématiquement testés sur un échantillon de plusieurs centaines de bassins versants, en utilisant des procédures de calage-validation systématiques.
Le [[GRD (HU)|modèle GRD]] ainsi que le [[GRP (HU)|modèle GRP]], fonctionnant à des pas de temps courts font l'objet d'articles spécifiques.
Ces modèles peuvent être couplés. Par exemple la plate forme [[AIGA (HU)|AIGA]] utilise le modèle pour la simulation en continue de l'état de remplissage des réservoirs et le modèle (pas de temps horaire ou infra-horaire) pour la simulation des périodes de crue qui nécessite la connaissance de l'état initial de remplissage des réservoirs.
Pour en savoir plus :
* Perrin, C., Michel, C., Andréassian, V. (2007) : Modèles hydrologiques du Génie Rural (GR) ; 16pp. ; disponible sur https://webgr.irstea.fr/wp-content/uploads/2012/08/Modeles_GR_Resume.pdf
Bibliographie :
* Edijatno (1991) : Mise au point d’un modèle élémentaire pluie-debit au pas de temps journalier ;Thèse Louis Pasteur University (Strasbourg) / Cemagref (Antony) ; 625 p.
* Ficchi, A. (2007) : Un modèle hydrologique adaptatif à différents pas de temps : diagnostic et améliorations basés sur la cohérence des flux ; thèse Paris 6 ; disponible sur https://theses.fr/2017PA066097.
* Le Moine, N. (2008) : Le bassin versant de surface vu par le souterrain : une voie d’amélioration des performances et du réalisme des modèles pluie-débit ? Thèse Université Pierre et Marie Curie ; 348p. ; disponible sur https://webgr.irstea.fr/wp-content/uploads/2012/07/2008-LE_MOINE-THESE.pdf.
* Mathevet, T. (2005) : Quels modèles pluie-débit globaux au pas de temps horaire ? Développements empiriques et comparaison de modèles sur un large échantillon de bassins versants ; thèse ENGREF ; 463p. ; disponible sur https://webgr.irstea.fr/wp-content/uploads/2012/07/2005-MATHEVET-THESE.pdf
* Michel, C. (1983) : Que peut-on faire en hydrologie avec un modèle conceptuel à un seul paramètre ? La Houille Blanche(1), pp 39-44
* Nascimento, N.O. (1995) : Appréciation à l’aide d’un modèle empirique des effets d’actions anthropiques sur la relation pluie-débit à l’échelle du bassin versant ; Thèse de Doctorat ; CERGRENE, ENPC ; 550 p.
* Perrin, C. (2000) : Vers une amélioration d’un modèle global pluie-débit au travers d’une approche comparative ; INPG (Grenoble), Cemagref (Antony) ; 530 p.
* Perrin, C., Michel, C., Andréassian, V. (2007) : Modèles hydrologiques du Génie Rural (GR) ; document Cemagref, 16p. ; disponible sur https://webgr.irstea.fr/wp-content/uploads/2012/08/Modeles_GR_Resume.pdf
* Pushpalatha, R. (2013) : Simulation et prévision des étiages sur des bassins versants français : approche fondée sur la modélisation hydrologique ; Thèse de Doctorat, Irstea (Antony), AgroParisTech (Paris) ; 230 pp.
Pour en savoir plus :
* https://webgr.inrae.fr/outils/modeles-hydrologiques
[[Catégorie:Dictionnaire_DEHUA]]
[[Catégorie:Modélisation_de_la_transformation_pluie-débit_(HU)]]