ANNALES DE LIMNOLOGIE, t. 7, fasc. 2, 1971, p. 145-155

DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL

POUR L'ÉTUDE DU COMPORTEMENT

D'ESPÈCES BENTHIQUES EN EAU COURANTE

p a r D . T R I V E L L A T O 1 et H . D É C A M P S 2 .

Les résu l t a t s d 'une é tude d 'écoulement en canal expé r imen ta l ont fait l 'objet d 'un ar t ic le p récéden t (TRIVELLATO et D É C A M P S , 1968) . Le cana l ut i l isé avai t été b r i èvement décri t . Nous nous p roposons de donne r ici une descr ip t ion p lus détail lée et d ' appor ­ter que lques préc is ions su r les difficultés r encon t rées et les so lu t ions adoptées .

I. — CONDITIONS D ' INSTALLATION

Le disposit if expér imen ta l a été cons t ru i t p o u r observer le c o m p o r t e m e n t d 'espèces ben th iques ( su r tou t des inver tébrés ) en présence d ' un c o u r a n t d 'eau de ca rac té r i s t iques connues . Les vitesses moyennes max ima les étudiées a t t e ignen t 1 m / s .

D 'une pa r t , les va leurs générales de l ' écoulement — débit , vitesse moyenne , n o m b r e de Reynolds — doivent ê t re connues . D ' au t r e pa r t , il doit ê t re possible de préciser , au n iveau des inver tébrés , la va leur des vitesses ponctuel les , des p ress ions et de l ' agi ta t ion.

D a n s ce bu t , les condi t ions su ivantes ont été réalisées.

1. Les va r i a t ions de p ress ion et de vi tesse on t p o u r seule or igine les obstacles s i tués dans le canal . Aussi la s tabi l i té de l 'a l imen­ta t ion à l ' en t rée du canal est-elle essentiel le .

2. Un appare i l lage de mesure , m o n t é en para l lè le à l ' ins ta l la t ion, donne la va leur précise des g r a n d e u r s à mesu re r .

3. Les m a t é r i a u x ut i l isés ne sont pas toxiques p o u r les a n i m a u x .

1. Ins t i tu t de Mécanique des F l u i d e s de PENSEEIHT, Laborato ire assoc ié au CNRS, 31 -Toulouse .

2. Laborato ire d 'Hydrobio log ie , U n i v e r s i t é Pau l -Sabat i er , 118, route de Nar-b o n n e , 31 -Toulouse .

1

Article available at http://www.limnology-journal.org or http://dx.doi.org/10.1051/limn/1971007

146 D. TRIVELLATO ET H . DÉCAMPS (2)

II . — RÉALISATION DU D I S P O S I T I F E X P É R I M E N T A L (fig. 1)

La solut ion adoptée pour le mon tage généra l p e r m e t d 'éviter (1) u n sys tème en t i è r emen t en charge dans lequel l 'accès au canal ou la mise en rou te sont difficiles, (2) une mauva i se désaéra t ion , cause de p e r t u r b a t i o n s i m p o r t a n t e s .

Nous d i s t ingue rons : (A) le canal d 'essai et sa c h a m b r e d 'al i­men ta t ion , (B) les pa r t i e s secondai res p e r m e t t a n t la r écupéra t ion et la red i s t r ibu t ion de l 'eau, (C) les disposi t i fs de mesu re et de v isual i sa t ion .

F I G . 1. — Dispos i t i f général . — a : bac de réserve, b : p o m p e d 'a l imenta t ion , c : j e u de v a n n e s , d : b a s s i n de m i s e en charge, e : chambre d 'a l imenta t ion , f : t r a n q u i l l i s a t i o n , g : convergent , h : cana l d'essai, i : raccordement , j : v a n n e de réglage, k : d é b i t m è t r e à flotteur, 1 : déverso ir de m e s u r e , m : l i m -n i m è t r e à po in te , n : m u l t i m a n o m è t r e , o : éc la irage, p : s troboscope , q : apparei l de pr i ses de vues .

(8) DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL EN EAU COURANTE 147

A) Le canal d'essai et sa chambre d'alimentation. Ce sont les par t ies essentiel les du dispositif.

1. Le canal d'essai (fig. 2 et 6 ) . C'est la pa r t i e dans laquel le se font les observa t ions . Elle doit donc ê t re t r a n s p a r e n t e . Divers é léments (facilité d 'us inage , fragili té, indice de réfract ion, résis­tance aux dé format ions ) nous ont condu i t s à choisir l ' a l tuglass c o m m e ma té r i au .

Les observa t ions se fa isant essent ie l lement au n iveau de la zone de t r ans i t ion en t r e le subs t r a t et la pleine eau, le cana l a p u ê t re cons t ru i t p o u r un écoulement en charge . Ceci p e r m e t des vitesses i m p o r t a n t e s ma lg ré u n débi t faible.

L 'assemblage des paro i s la téra les et du rad ie r doit ê t re pa r t i cu ­l iè rement é tudié . E n effet, (1) l ' ins ta l la t ion doit ê t re é tanche , (2) a u c u n jo in t ne doi t p e r t u r b e r l 'observat ion dans les angles et s u r les paro is (fig. 2 ) .

Les paro i s la téra les sont fixes. Le démon tage facile du rad ie r et de la pa r t i e supér ieu re p e r m e t de d isposer des obstacles et des a n i m a u x dans le canal sans modifier l ' ins ta l la t ion de façon impor­tan te . Le ser rage s'effectue au moyen d 'é t r ie rs .

2. La chambre d'alimentation (fig. 3 ) . Elle a été conçue p o u r d i m i n u e r les p e r t u r b a t i o n s à l 'entrée du cana l . Elle se compose de deux par t i e s p r inc ipa les .

a) Un disposit if de t r anqu i l l i sa l ion comprend p lus i eu r s séries de grilles, de t o u r n u r e s de p las t ique et u n jeu de t u b u l u r e s él imi­n a n t les c o u r a n t s v r i l l an t s .

b) Un convergent a s su re un écoulement s table au n iveau du cana l (fig. 6 ) . Le ré t réc i ssement du convergent est ob tenu au moyen de deux arcs de parabole cub ique .

L 'ensemble de la c h a m b r e d ' a l imen ta t ion est réal isé en lucoflex. Les p laques cons t i t uan t les pa ro i s de la c h a m b r e , d 'une épa i sseur de 5 m m , sont démontab les et mun ie s de ra id i s seurs . Le tou t est mon té su r un bât i cons t i tué de tubes assemblés . P a r a i l leurs , des aé ra t ions et u n disposit if de vidange ont été disposés .

B) Les parties secondaires (fig. 1 ) .

1. Un bac de réserve p e r m e t de d isposer d 'un i m p o r t a n t vo lume d 'eau (300 X 80 X 60 c m ) . Il est isolé de l ' ins ta l la t ion générale afin d 'évi ter la t r ansmis s ion de v ibra t ions dues à la chu te d 'eau venan t du déversoi r de mesure .

2. Une pompe de circulation don t l ' asp i ra t ion est placée d a n s le bac de réserve a l imen te le réseau généra l . Ses ca rac té r i s t iques

148 D. TRIVELLATO ET H . DÉCAMPS (4)

F I G . 2. —1 Coupe du canal . — Paro i l a t éra l e et sect ion . 2 : j o i n t sect ion (d iamètre 5 m m ) .

1 : a s s e m b l a g e doux ,

F I G . 3. — Chambre d 'a l imenta t ion . — a : a l i m e n t a t i o n depui s le b a s s i n de m i s e en charge, b : d i spos i t i f de t r a n q u i l l i s a t i o n , c : 1 " gri l le , e : t ournures de p l a s t i q u e , f : j e u de t u b u l u r e s , g : v idange , h : orifices pour l ' explo­rat ion des v i t e s se s , i : aérat ion , j : convergent , k : cana l d'essai.

(5) DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL EN EAU COURANTE 149

pr inc ipa les sont : vitesse 1 400 t / m n , pu i s sance 1,5 ch, débit 36 m 3 / h , H.M.T. 5,2 m. Son fonc t ionnement est con t inu . P o u r éviter tou t échauffement , le débit m i n i m u m doit ê t re de 1 1/sec.

3. P o u r t en i r compte du fonc t ionnement con t inu de la p o m p e et de son débit m i n i m u m nécessaire , un jeu de vannes règle le débit . Ce disposit if est formé pa r des rob ine ts à boisseau en bronze placés su r (1) l ' a l imenta t ion du bass in de mise en charge et (2) su r le débit dérivé qui p e r m e t d 'ob ten i r le débit m i n i m u m de 1 1/sec.

4. Un bassin de mise en charge p e r m e t (1) d 'é l iminer les per­t u r b a t i o n s dues à la pompe , (2) d ' a s su re r u n p lan d 'eau a m o n t cons t an t faci l i tant le réglage du débit . Il est cons t ru i t en lucoflex.

5. Les conduites de liaison sont en caou tchouc entoi lé afin d'évi­te r la t r ansmis s ion des v ib ra t ions provoquées p a r la pompe . Ces tubes souples p e r m e t t e n t , p o u r le ne t toyage de l ' appare i l , un démon tage et r emon tage p lus faciles. Les tubes r igides nécessa i res sont en lucoflex.

C) Les dispositifs de mesure et de visualisation.

1. Les débits. Le débit est dé t e rminé p a r la différence du n iveau en t re l ' amont et l 'aval du dispositif. La va r ia t ion de ce débit est ob tenue p a r l ' in t roduc t ion d 'une per te de charge var iab le . P o u r cela, une v a n n e de réglage a été disposée à l 'aval du canal d 'essai . Si cet te v a n n e est suff i samment éloignée du canal , l ' i r régular i té de l ' écoulement créée pa r l ' é t r ang lement est p r a t i q u e m e n t négligeable. Nous avons ut i l isé une vanne à s imple opercule , en lucoflex.

Les débits sont m e s u r é s pa r u n déb i tmè t re à flotteur et u n déversoir de mesu re m o n t é s en série.

2. Les pressions. Elles on t été mesurées su r le r ad ie r du canal , s u r les obstacles et d a n s leur vois inage i m m é d i a t . Les va leurs mesurées é t an t faibles, on ne peut r e t en i r c o m m e significatives que les r épa r t i t i ons et osci l la t ions de press ion ex is tan t p o u r u n régime t u r b u l e n t (le n o m b r e de Reynolds va r i an t de 20 000 à 50 000) .

Le soin appor t é à l 'exécut ion des pr ises de p ress ion est dé te rmi ­n a n t : les m o i n d r e s défauts dans leur réa l i sa t ion peuven t e n t r a î n e r des e r r e u r s i m p o r t a n t e s .

Les orifices sont percés normalement à la paroi, sans bavure, frai­sage ou repoussage du trou. Ceci est difficile lorsqu'on utilise des matériaux plastiques, lucoflex ou altuglass, pour la construction des parois ou des obstacles. Il est nécessaire d'usiner à vitesse lente pour éviter de chauffer, en arrosant avec du pétrole. Certains auteurs pré­conisent un diamètre de perçage compris entre 3 et 8 mm. Par suite des dimensions réduites des obstacles et de la courbure des filets d'écou-

150 D. TRIVELLATO ET H . DÉCAMPS (6)

lement, nous avons utilisé des diamètres plus faibles : 2 mm et 1 mm dans les zones de forte courbure, sur un galet par exemple.

Les pr i ses de press ion sont reliées à un m u l t i m a n o m è t r c (fig. 1 ) p a r des tubes souples de d i a m è t r e de l 'ordre de 10 m m . Le mul t i -m a n o m è t r e comprend 15 tubes d 'un d i amè t r e m in ima l 11/15 m m et d 'une h a u t e u r m in ima le de 1 500 m m . L 'ensemble est par fa i ­t emen t calé ver t i ca lement .

Les va r ia t ions de press ion su r le rad ie r peuven t ê t re enregis­t rées en fonction du t emps , à l 'aide d 'un montage é lec t ronique . Les écar t s à mesu re r , re la t ivement faibles, sont augmen té s pa r une chaîne amplif icatr ice.

3 . Les vitesses.

a) P r inc ipe de la mesu re (fig. 4 ) . — La méthode choisie et ut i l isée est celle de la v isua l i sa t ion de par t i cu les d ' a l u m i n i u m en suspens ion dans u n c o u r a n t d 'eau. Ces v i sua l i sa t ions sont faites d a n s le canal t r a n s p a r e n t , su r un écoulement b id imens ionne l . Un s t roboscope pe rme t d 'ob ten i r u n éc la i rement i n t e rmi t t en t capté p a r un appare i l p h o t o g r a p h i q u e dirigé pe rpend i cu l a i r emen t à l 'axe du cana l . Les par t i cu les d ' a l umin ium, en t ra înées pa r le couran t , sont a lors pho tograph iées pendan t un t emps donné . Sur la pell icule, on obt ient des segments qui p e r m e t t e n t de conna î t r e le module et la d i rec t ion de la vitese du c o u r a n t aux différents po in t s .

F I G . 4. — Pr inc ipe de la m e s u r e des v i t e s ses . — a : éc la irage inc ident para l ­lè le , b : fente , c : canal d'essai t ransparent , d : é c o u l e m e n t , e : s troboscope , f : m o t e u r à v i t e s s e var iab le , g : ce l lu le p h o t o - r é s i s t a n t e , h : éc la irage dirigé, i ; apparei l de pr i ses de v u e s .

(7) DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL EN EAU COURANTE 151

P o u r u n t e m p s de pose de 1 seconde, avec u n s t roboscope don­n a n t 20 images / seconde , on ob t iendra pa r exemple , su r le t racé d 'une pa r t i cu le d ' a l u m i n i u m , 20 segments l u m i n e u x consécut i fs (fig. 4 ) . La vitesse ponctue l le sera :

x X 20 V =

1 sec.

b) P o u d r e d ' a l u m i n i u m . — Les par t i cu les ut i l isées po r t a i en t le cal ibre 0,3 m m . Cette poud re d ' a l u m i n i u m , t rouvée dans le com­merce , doit ê t re p répa rée avan t l 'emploi .

E n effet, p o u r éviter qu ' i l s ne s 'oxydent , les g ra ins sont recou­ver t s de minces pell icules grasses . Leur ne t toyage peu t ê t r e effectué à l 'alcool. D a n s u n récipient en verre ou en p las t ique , on réalise une pâte en mé langean t à la poudre une t rès faible q u a n t i t é d 'alcool. Après avoir bien r emué , on verse l ' ensemble d a n s un ^ r a n d récipient d 'eau.

Dans ce dern ie r , une p remiè re décan ta t ion s'effectue ap rès b r a s ­sage. Une mousse pa rv ien t en su r face ; on l 'é l imine au fur et à m e s u r e de sa fo rmat ion . Lorsque la surface de l 'eau est p rop re , il res te à sé lec t ionner les g ra ins s i tués en t re deux eaux, c 'es t -à-dire ayan t sens ib lement le poids spécifique de l 'eau.

Le choix des t r a c e u r s é t an t u n é lément i m p o r t a n t dans l 'exacti­tude des mesu re s pa r visual isat ion, cette p r épa ra t i on doit ê t re réal isée avec soin.

c) L 'éclairage. — Notre choix s'est po r t é su r des l ampes aux halogènes qui fourn issen t une source lumineuse i m p o r t a n t e tou t en possédan t de faibles d imens ions . Deux p ro jec teu r s « twin- iode » on t été disposés au-dessus et au-dessous du cana l (fig. 1 ) .

Une seule source l u m i n e u s e peu t ê t re uti l isée. Mais l 'éclairage de p a r t et d ' au t r e des paro i s p e r m e t de d i m i n u e r l'effet d ' absorp­t ion du flux l u m i n e u x p a r l 'eau. L ' i l lumina t ion du p lan vert ical est ainsi p lus un i fo rme . Le p ro jec teur s i tué sous le cana l p e r m e t de mieux définir l 'aspect des écou lements au voisinage d 'obstacles s i tués su r le rad ie r .

d) Dispositif de s t roboscopie . — Le s t roboscope est cons t i tué p a r u n d i sque c a r t o n n é 1 don t le d i amè t r e peu t a t t e indre 500 à 600 m m . Ce d isque doit ê t re t rès r app roché de l ' apparei l de pr ises de vues ou de la source d 'éclairage lo rsque cette de rn iè re est un ique .

1. P o u r des r a i s o n s de sécurité , le carton doi t être préféré au m é t a l ,

152 D. T R I V E L L A T O E T H . D É C A M P S ( 8 )

F I G . 7. — E x e m p l e d'une v i s u a l i s t a t i o n .

, 5 ' — M o n t a « e s t roboscopique . — Stroboscope en place devant le canal d'essai , avec en p r e m i e r p l a n : l 'apparei l de pr i ses de v u e s à gauche , la ce l lu l e p h o t o - r é s i s t a n t e à droite .

KIG. 6. — E n t o n n e m e n t et canal .

(9) DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL EN EAU COURANTE 153

Le cont rô le de la f réquence d ' i n t e r rup t ion est effectué à l 'aide d ' une cellule pho to- rés i s tan te (fig. 5 ) . Cette cellule capte les r ayons l u m i n e u x émis p a r u n e source dirigée, a l imentée sous tens ion sta­bilisée (type Gossen 15 V - 1,5 A ) . Les pales du d isque coupen t les r ayons l u m i n e u x dir igés vers la cellule. Cette de rn iè re t r a n s m e t des impu l s ions à une f réquence iden t ique à celle des coupures des r ayons enreg is t rés p a r l ' apparei l pho tog raph ique .

La cellule pho to - rés i s t an te est insérée dans le c i rcui t base d 'un t r ans i s to r qui , mon té en éme t t eu r c o m m u n , amplifie le signal reçu pa r la cellule.

Un f réquencemèt re - c h r o n o m è t r e - pé r iodemèt re (type Rocha r A 1 213) compte le n o m b r e d ' impul s ions .

e) Observa t ion di recte et s t roboscopique . — La présence de t r a ­ceurs dans l 'eau p e r m e t une observa t ion directe des t ra jec to i res , décol lements et po in t s de r a t t a c h e m e n t . Cette observa t ion p e r m e t auss i de déceler la p résence d ' écoulements t r i d imens ionne l s . De même , le déve loppement d 'un tourb i l lon ou l'effet p r o d u i t p a r u n b a t t e m e n t ou des pu l sa t ions peuven t ê t re observés.

L 'examen en lumiè re i n t e r m i t t e n t e p e r m e t éga lement de t i re r des ense ignement s ut i les sans a t t end re le dépoui l l ement des résul­t a t s . L'œil s ' h ab i t uan t à cet éclairage, il est en effet possible de c o m p a r e r les t r a i t s p rodu i t s pa r les t r aceu r s .

f) P r i ses de vues . — Elles peuvent ê t re réal isées au moyen d ' appare i l s pho tog raph iques s imples .

III . — P O S S I B I L I T É S D 'UTILISATION

Les disposi t i fs e x p é r i m e n t a u x décr i ts d a n s la l i t t é r a tu re s 'éche­lonnen t du s imple chenal a l imenté pa r u n robine t a u x cons t ruc ­t ions les p lus complexes ( « N a t u r e » , 1971) . Les b u t s poursu iv i s sont variés : cu l tu res d 'a lgues pé r iphy t iques ou de mac rophy te s , ob ten t ion d 'adu l tes d ' insectes aqua t i ques , observa t ion d ' inver tébrés et de poissons , é tude du métabo l i sme des c o m m u n a u t é s d 'eau cou ran t e .

BOURNAUD ( 1 9 6 3 ) a d i scu té les mér i t es de p lus i eu r s types d ' appa­reils p e r m e t t a n t d ' expé r imen te r su r des inver tébrés d 'eau cou ran t e . P a r m i les descr ip t ions p lus récentes , c i tons : L A U F F et CUMMINS ( 1 9 6 4 ) , HARTMAN ( 1 9 6 5 ) , K A I S E R ( 1 9 6 5 ) , S C H E R E R ( 1 9 6 5 ) , H U G H E S

( 1 9 6 6 ) , EDINGTON ( 1 9 6 8 ) , E L L I O T T ( 1 9 6 8 ) , MADSEN ( 1 9 6 8 ) , G E E et

B A R T N I K ( 1 9 6 9 ) , P H I L I P S O N ( 1 9 6 9 ) , S C H U H M A C H E R ( 1 9 7 0 ) , F E L D -

M E T H ( 1 9 7 0 ) . L 'appare i l le p lus p roche de no t r e dispositif, n o t a m ­m e n t p a r les mé thodes employées , est celui d ' A M B Û H L ( 1 9 5 9 ) .

154 D. TRIVELLATO ET H . DÉCAMPS (10)

Les organismes utilisés dans les études de comportement en milieu lot ique sont souvent voisins de leur tai l le m a x i m a l e ; l 'écou­lement n 'es t connu que dans son ensemble ; les vitesses dépassen t r a r e m e n t 20 c m / s .

Un appare i l tel que celui décr i t dans cet ar t icle peu t p e r m e t t r e l 'observat ion de j e u n e s s tades dans des condi t ions p réc i sément connues de vitesses de cou ran t . Les p h é n o m è n e s se p rodu i san t d a n s la zone de t r ans i t ion en t re le subs t r a t et la pleine eau doivent , p a r a i l leurs , ê t re encore précisés pour une mei l leure compréhen ­sion du c o m p o r t e m e n t des inver tébrés ben th iques . Enfin, l 'é tude des condi t ions r égnan t dans le sous-écoulement est également réa­lisable à l 'aide de co loran t s . Ces p rob lèmes sont ac tue l lement à l ' é tude.

RÉSUMÉ

Le dispositif expérimental décrit permet de connaître avec précision les vitesses ponctuelles de l'écoulement. La méthode de mesure utilisée est celle de la visualisation de particules d'aluminium en lumière inter­mittente. L'appareil a été conçu dans le but d'observer le comporte­ment de petites formes benthiques en présence d'un courant dont les caractéristiques sont en tous points connues.

EXPERIMENTAL A P P A R A T U S FOR THE STUDY

OF THE BEHAVIOUR OF BENTHIC SPECIES

I N RUNNING WATER

The experimental apparatus is used to measure accurately the velo­city of the water, and utilises the photography of aluminium particles in a flashing light. The apparatus was designed for the purpose of observing the behaviour of small benthic invertebrates in a current of known characteristics at all points in the apparatus.

A P P A R A T U R ZUR DURCHFÜHRUNG VON VERSUCHEN

ZUM STUDIUM D E S VERHALTENS VON BENTHISCHEN

ORGANISMEN I N FLIESSENDEM WASSER

Eine wird Vorrichtung beschrieben, die die Messung von Strömungs­geschwindigkeiten auf kleinstem Raum erlaubt; sie beruht auf der Beobachtung von Aluminiumpartikelchen bei intermittierendem Licht. Die Appparatur wurde entwickelt, um das Strömungsverhalten von kleinen Wirbellosen in einem Wasserkörper zu studieren, dessen Gesch­windigkeit in jedem Punkte bekannt ist.

(11) DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL EN EAU COURANTE 155

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TRAVAUX CITÉS