Résumé - CHAPITRE 7

LA MESURE HYDROLOGIQUE

RESUME

Introduction______________________________________________________________________2La mesure des précipitations ________________________________________________________2La mesure de l'évaporation _________________________________________________________2La mesure de l'évapotranspiration ___________________________________________________3La mesure des débits ______________________________________________________________3La mesure du debit solide __________________________________________________________4La mesure de l'infiltration __________________________________________________________5La mesure de l'humidité du sol ______________________________________________________5

2 Hydrologie générale

INTRODUCTION

Les objectifs de ce chapitre sont de connaître les principes métrologiques des principaux élémentsconstitutifs du bilan hydrique, de savoir apprécier le résultat des mesures en liaison avec leurprécision (relative ou absolue) et d'évaluer les moyens d'organisation des données compte tenu de leurdiversité.

LA MESURE DES PRECIPITATIONS

La mesure des précipitations est simple à réaliser localement, mais une des plus complexes enmétéorologie du fait de la très forte hétérogénéité spatiale des précipitations. On exprimegénéralement les précipitations en hauteur ou lame d'eau précipitée par unité de surface horizontale(mm) ou en intensité (mm/h). Les principaux instruments de mesures sont dans le tableau suivant :

Mesure des précipitations

• Pluviomètre : - Instrument de base quantifiant la pluie globale précipitée dans l'intervalle detemps séparant deux relevées (en Suisse, toutes les 24 h).

• Pluviographe : - Instrument enregistrant la hauteur instantanée de la précipitation etpermettant la détermination de l'intensité de la pluie. Il en existe 2 principaux :

• Le pluviographe à siphon. L'accumulation de la pluie dans un réservoircylindrique est enregistrée par l'élévation d'un flotteur.

• Le pluviographe à augets basculeurs. Cet appareil comporte, en dessous deson entonnoir de collecte de l’eau, une pièce pivotante dont les deuxcompartiments peuvent recevoir l’eau tour à tour (augets basculeurs).

• Radar : - Instrument permettant de localiser et de suivre les nuages, et d'estimer levolume de la précipitation potentielle. Il permet de mesurer la précipitation entemps réel sur le bassin versant après calibration (avec des mesures de terrain)et, par conséquent, est très utile pour les prévisions du temps.

La mesure des précipitations peut être entachée d'erreurs instrumentales ou d'observation, maisaussi d'erreurs de représentativité spatiale ou d'échantillonnage.

LA MESURE DE L'EVAPORATION

L'évaporation peut-être mesurée indirectement à partir de facteurs physiques qui sont eux,directement mesurables ou de manière directe au moyen d'instruments de mesures particuliers.

Mesures indirectes de l'évaporation à partir de facteurs physiques

• Rayonnement solaire net au sol : - Pyranomètre

• Durée d'insolation : - Héliographe

• Température : - Thermomètre

• Humidité relative : - Hygromètre et psychromètre

• Pression atmosphérique : - Baromètre

• Vent : - Anémomètre et girouette (direction)

La mesure hydrologique 3

Mesures directes de l'évaporation au moyen des appareils suivants :

• Evaporimètre : - l’évaporation naturelle est quantifiée par la mesure del'évaporation de l’eau distillée à travers une surfaceporeuse. Le plus simple de ces appareils estl’évaporimètre de Piche.

• Balances d'évaporation : - l'évaporation est mesurée en continu par diminution dupoids de l'eau s'évaporant placée dans un plateau sous abri.

• Bac d'évaporation : - l'évaporation est mesurée par les variations du niveaud'eau d'un bac posé sur le sol, partiellement enterré ouflottant.

• Verrières ou châssis vitrés : - l'eau du sol s'évapore, la vapeur d'eau se condense sur laparoi d'une vitre recouvrant un châssis posé sur le sol, puisest récoltée par une gouttière.

• Lysimètre : - cuve étanche enterrée, à parois verticales, ouverte ensurface et remplie par une portion de terrain. Ellecomprend un dispositif permettant de recueillir l’eau dedrainage. Les variations de stock d'eau permettent dedéterminer l'évaporation.

LA MESURE DE L'EVAPOTRANSPIRATION

La mesure de l’évapotranspiration est très complexe. Elle peut être effectuée en se basant sur lespertes en eau d'un sol cultivé dans une case lysimétrique ou en procédant par bilan hydrologique surune parcelle expérimentale.

LA MESURE DES DEBITS

On appelle hydrométrie l’ensemble des techniques de mesures des différents paramètrescaractérisant les écoulements dans les cours d’eau naturels ou artificiels et dans les conduites. Lesdeux variables principales qui caractérisent l'écoulement sont :

• la cote de la surface d'eau libre H (m). Sa mesure concerne la limnimétrie.

• le débit du cours d'eau Q (m3/s ou l/s). Sa mesure est du ressort de la débitmétrie.

Le passage d'une courbe des hauteurs d'eau en fonction du temps H=f(t) (appelée limnigramme) àcelle des débits Q=f(t) (appelée hydrogramme) se fait par l'établissement d'une courbe de tarageQ=f(H). La détermination de cette courbe est effectuée suite à des campagnes de mesures de débitsépisodiques. L'ensemble des opérations destinées à mesurer le débit d'une rivière est appelé jaugeage.

Mesures des hauteurs d'eau

• Limnimètre (mesure discontinue) : - Echelle limnimétrique

• Limnigraphe (mesure continue) : - Limingraphe à flotteur

- Limnigraphe à mesure de pression

• Capteurs : - Capteur capacitif- Capteur à ultra-sons

4 Hydrologie générale

Le débit peut être évalué de manière :

• directe par volumétrie, à partir du temps que met un récipient, de volume connu, à se remplirde l'eau coulant du déversoir étudié. La méthode directe est utilisée essentiellement pour lespetits débits, notamment les débits de drainage.

• indirecte à partir de la vitesse d'écoulement à travers une section donnée (section de mesure), àpartir d'ouvrages hydrauliques, ou par dilution.

Mesures indirectes des débits

• Exploration du champ de vitesses :

Le débit Q [m3/s] s'écoulant dansune section d'écoulement S [m2]d'une rivière peut être défini à partirde la vitesse moyenne V [m/s]perpendiculaire à cette section par larelation : Q = V × S.

La vitesse moyenne de l'écoulementdans une section est obtenue parintégration des vitesses dans l'espacede la section.

- Mesure des vitesses par l’utilisation du flotteur :déplacement horizontal d'un flotteur de surface durant untemps t permettant de déterminer la vitesse de l'écoulementde surface.

- Mesure des vitesses par l’utilisation du moulinet : lavitesse d'écoulement est mesurée en chacun des points àpartir de la vitesse de rotation de l’hélice située à l’avant dumoulinet (nombre de tours n par unité de temps).

- Mesure des vitesses au moyen de sondesélectromagnétiques (effet Doppler).

• Détermination du débit à l’aide d’ouvrages hydrauliques calibrés :

Déversoir ou canal calibrépermettant de calculer les débits pardes formules hydrauliques.

- Déversoir triangulaire ou rectangulaire (en mince paroi)

- Déversoirs à seuil épais.

- Canal de Venturi.

• Mesure du débit par la méthode de dilution :

Elle consiste à injecter en unesection d'un cours d'eau, unesolution (sel, colorant, etc.) deconcentration connue, puis à doserl'évolution de la concentration encette solution dans une section avale.On en déduit alors le débit.

- Injection réalisée "à débit constant"- Injection réalisée "par injection instantanée" (méthodepar intégration)

LA MESURE DU DEBIT SOLIDE

La quantité de sédiments (ou, flux solide, charge solide, débit solide) transportée par un coursd’eau à une section donnée pendant un temps donné est composé de la charge en suspension et dutransport de fond (glissement ou roulement sur le fond et saltation). Ce dernier est plus difficilementmesurables in situ.

La quantité de sédiments transportée par un cours d’eau peut être mesurée de manière directe parla collecte d’échantillons à hauteur d’une section de mesure pour suivre dans le temps les variationsdu transport solide ; ou de manière indirecte par l’utilisation de relevés bathymétriques de lacs ou deretenues artificielles ou à l’aide de carottages de sédiment en vue de l’analyse de traceurs isotopiques(C137, Pb218).

La mesure hydrologique 5

Mesure de la quantité de sédiments en suspension à hauteur d’une section de mesure

• Mesure du débit solide pour une sectiond’écoulement :

sQs c v dldp= × ×� �

Avec : l abscisse (distance à l’une des 2 rives), pprofondeur, v vitesse du courant, c concentration dematériaux en suspension.

- Prélèvements manuels

- Les préleveurs instantanés

- Les préleveurs à pompe

- Les préleveurs par intégration

• Mesure en continue des matières en suspension :

• Mesure en continue de la turbidité :

- Préleveur d’échantillon automatique

- Turbidimètre

LA MESURE DE L'INFILTRATION

Les méthodes les plus connues pour mesurer directement et ponctuellement l'infiltration sont :

Infiltromètres

• Infiltromètre de Müntz : - méthode fondée sur le principe de l'infiltrationà charge constante

• Infiltromètre à double cylindre : - méthode fondée sur le principe de l'infiltrationà charge variable.

• Infiltromètre de Guelph : - méthode permettant la détermination de laconductivité hydraulique et la sorptivité.

• Infiltromètre à aspersion : - méthode utilisant le principe du simulateur depluie.

LA MESURE DE L'HUMIDITE DU SOL

L'humidité du sol peut être déterminée de plusieurs façons soit par méthode directe (mesuresgravimétriques), soit par des méthodes indirectes. Parmi ces dernières citons :

Méthodes de mesures indirectes de l'humidité du sol

• Sonde à neutrons : - méthode reposant sur les propriétés de réflexion quepossèdent les molécules d'eau à l'égard d'un flux deneutrons.

• Technique TDR :(Time Domain Reflectometry)

- méthode déterminant la constante diélectrique du sol,fonction de son état d'humidité.

Les données hydrologiques mesurées sont finalement regroupées dans des annuaires et publiéespar différents organismes responsables (cf. chapitre 8).