Hydrométrie : késako?

Définition :

L’hydrométrie : de « hydro » qui se rapporte à l’eau et « métrie » qui se rapporte à la mesure.

Hydrométrie : mesure de l’eau ; mesure des écoulements des rivières et fleuves (aspect quantité d’eau et non pas qualité).

Comment mesurer la quantité d’eau ?

Si l’eau est stagnante : la mesure de hauteur d’eau donne le stock disponible (fonctionne très bien sur une nappe ou un barrage).

Si l’eau s’écoule, la hauteur d’eau ne suffit plus : c’est la quantité d’eau qui passe (le débit) qui compte.

Pourquoi ?

Parce que selon l’aménagement de la rivière pour un même débit la hauteur d’eau peut changer.

Exemple en crue avec 4 configurations :

1. rivière naturelle qui déborde en crue dans les champs. Pour un débit de crue de 100 m³/s, j’ai une hauteur d’eau de 1,5 m ;
2. Je veux construire dans les champs en rive droite et ne plus être inondé. Je remblaye avec de la terre à 2m. Pour 100 m³/s, la hauteur d’eau devient 1,75 m (aucun écoulement en rive droite).
3. Je construis en plus un pont pour traverser la rivière. Celui-ci bloque un peu la rivière. Pour 100 m³/s, la hauteur d’eau devient 1,95 m.
4. Pas de chance, en crue des troncs d’arbres se bloquent sur le pont. Pour 100 m³/s, la hauteur d’eau devient 2,25 m. Les maisons sont inondées.

Exemple en bas débit : rivière naturelle.

Pour un débit de sécheresse de 10 m³/s, j’ai une hauteur d’eau de 50 cm.

Situation 1 : en hiver une grosse crue passe et emmène du sable et des galets du fond de la rivière. L’été suivant pour 10 m³/s, la hauteur d’eau est plus basse, par exemple 25 cm.

Nota : cette situation se rencontre fréquemment sur des rivières avec extraction de granulats en rivières.

Situation 2 : on construit un ouvrage comme un pont qui relève le niveau d’eau de la rivière. Pour 10 m³/s, la hauteur d’eau est plus haute, par exemple 75 cm.

Exemple de cotes négatives sur des rivières

En période de bas débit, il n'est pas rare de constater sur des stations hydrométriques des valeurs de niveau d'eau négatives.

Pourquoi ne modifie-t-on pas l’échelle pour avoir des cotes toujours positives ?

Réponse : pour garder la mémoire des crues passées. La hauteur d’eau en crue engendre les inondations. Pour la Loire, on dispose de données de hauteurs d’eau antérieures à 1840 et notamment pour les grandes crues de 1846, 1856 et 1866. Ailleurs, c’est en général la crue de 1910 qui sert de référence.

Conclusion :

La hauteur d’eau est locale et dépend de l’aménagement d’un cours d’eau ou de sa forme naturelle qui change tout le temps au fil des crues et sécheresses, …

Le débit est un paramètre conservatif : il augmente de l’amont vers l’aval avec l’arrivée des affluents.

Par exemple, s’il y a 100 m³/s sur la Saône à Gray, il y en aura plus de 100 m³/s sur la Saône à Auxone (avec l’arrivée de l’Ognon) et encore plus sur la Saône à Chalon-sur-Saône avec l’arrivée du Doubs.

Donc, il faut mesurer le débit pour caractériser, modéliser et comparer les écoulements d’une rivière avec une situation « extrême » de sécheresse ou inondation par exemple.

Mesure du débit en temps réel :

Le débit est un volume d’eau qui passe pendant un laps de temps. Son unité est par exemple le m³/s. En le décomposant, on trouve la formule  : m/s x m². Il s’agit donc d’une vitesse moyenne de l’eau (m/s) multipliée par une surface (m²). Cette surface est la surface mouillée ou encore la surface de la rivière perpendiculaire à l’écoulement.

Mesurer à chaque instant une section mouillée et une vitesse moyenne est impossible. On ne peut mesurer en instantané qu'une hauteur d’eau ponctuelle et/ou une vitesse ponctuelle.

La donnée "débit en instantané" est donc obligatoirement une estimation.

Dans la plupart des cas, la mesure du débit des stations hydrométrique repose sur une hypothèse de relation simple du débit avec la hauteur d’eau mesurée en un point de la rivière. Cette relation est dénommée « courbe de tarage ». Elle est construite par des mesures ponctuelles de débit (dénommé « jaugeages ») pour toutes les gammes de hauteur d’eau. A chaque jaugeage, un point hauteur/débit est constitué. La courbe de tarage vient « relier » ces points et permet d’associer à chaque hauteur un débit.

Le jaugeage :

C'est une opération de mesure ponctuelle du débit.

Durée : de 15 minutes à 2 heures selon les techniques.

Méthode : évaluer la section mouillée et le champ de vitesse de l’écoulement.

Trois grandes techniques :

1. Mesure du champ de vitesses par un appareil intrusif. L’hydromètre positionne un capteur de vitesse dans l’eau sur un maillage de la section (jaugeage à la perche et/ ou au saumon) ;
2. Mesure du champ de vitesses par un aDcp. Un capteur situé en surface sur un support flottant envoie des ondes ultra-sonores dans l’eau et analyse le signal ré-émis après qu'il ait percuté une matière en suspension dans le liquide. L’analyse permet de déterminer sur une verticale sous l'appareil, le champ de vitesse de l’eau et la profondeur de l’eau ;
3. Mesure du champ de vitesses de surface et extrapolation de la vitesse moyenne et de la section mouillée.

Quel que soit la méthode, il y toujours un calcul Q (débit) ) = vitesse x surface, même au sein du logiciel de l'aDcp!

Illustrations des techniques de jaugeages

exemple de jaugeage à la perche	semis de point d'un jaugeage à la perche
exemple de jaugeage aDcp depuis un zodiac	exemple de jaugeage aDcp depuis un pont
exemple de dépouillement d'un jaugeage aDcp

Les actions de l’hydromètre :

L’action fondamentale de l’hydromètre est de s’assurer de la production H24 et 365 jours par an, des données nécessaires à la prévision des crues. L’hydromètre diagnostique et dépanne ainsi tous les types de pannes survenant sur une station de mesure (défaillance en énergie, défaillance en télécommunication, défaillance du matériel, …). On notera qu'en période de crue, certaines réparations nécessitent d'attendre une baisse du niveau de l'eau.

Hors panne, la mission de l’hydromètre est de réaliser sur le terrain des contrôles réguliers(en général tous les mois pour chaque station). Ces derniers sont :

• vérifier que la hauteur d’eau mesurée par le capteur corresponde bien à la réalité (présence d’une échelle de mesure physique à chaque station). Si le capteur présente une dérive, un recalage du capteur est fait ;
• vérifier le débit par un jaugeage. Le jaugeage est comparé à la courbe de tarage en vigueur. Si il est constaté un écart entre le jaugeage et la courbe de tarage, cela signifie que le fond de la rivière a changé. Si cela est confirmé par des jaugeages successifs, la courbe de tarage est alors mise à jour. En été, il peut arriver également que de la végétation aquatique pousse et génère une augmentation saisonnière des hauteurs d’eau (effet « barrage »). Les débits issus de la courbe de tarage sur-estiment ceux qui s’écoulent réellement ;
• vérifier l’environnement de la station pour identifier visuellement si la relation hauteur débit peut avoir changé. Par exemple, si des troncs d’arbres sont coincés sur une pile du pont ou sur un seuil hydraulique en aval, ou encore nettoyer les seuils.

Ces opérations de contrôle permettent, chaque mois,  de passer d’une mesure (hauteur et débit) d’un statut brut à un statut validé avec une grande fiabilité.

Les données disponibles sur le site internet temps réel vigiecrue sont, notons-le, des données brutes.

Enfin, en général en début de chaque mois, les hydromètres effectuent un traitement des données et versent sur un serveur internet de la banque hydro les données de hauteurs d’eau validées (le cas échéant corrigées sur aux contrôles mensuels). Les données disponibles sur ce site constituent les données validées. Les données de hauteurs d’eau sont fiables. Celles des débits, le plus souvent les plus récents, en revanche, peuvent encore faire l’objet d’ajustements en cas de changement, a posteriori, de la courbe de tarage. En effet, le changement d’une courbe de tarage nécessite la réalisation de plusieurs jaugeages s’écartant de la courbe afin de bien identifier la forme complète de la nouvelle courbe.

A noter, que la mise à jour d’une courbe de tarage ne s’effectue qu’en cas d’écart important du jaugeage à la courbe (plus de 10 % d’écart).