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Pour mesurer le débit d’un écoulement naturel, il existe différentes méthodes mais la plus fréquemment utilisée dans le Bassin Artois-Picardie est la méthode dite "d’exploration du champ de vitesse" qui consiste à déterminer la vitesse de l’écoulement en différents points de la section, tout en mesurant la surface de la section mouillée.

Cette technique nécessite un matériel spécifique (micro-moulinet à hélice, saumon, courantomètre, flotteur, débitmètres...) et un personnel formé à son utilisation. Parmi les nombreuses méthodes d’exploration du champ de vitesse, les jaugeages au moulinet et au flotteur sont les plus utilisées pour les rivières à écoulement naturel.
Rappelons que la vitesse d’écoulement n’est jamais uniforme dans la section transversale d’un cours d’eau. Le principe du jaugeage par exploration du champ de vitesse consiste donc à calculer le débit à partir du champ de vitesse déterminé dans une section transversale du cours d’eau. Pour cela, on réalise entre 5 et 15 verticales par section suivant la largeur et la géométrie de la section, avec 2 à 5 points de mesure par verticale selon la hauteur d’eau. Aux endroits où les régimes d’écoulement sont réguliers et laminaires, les points de mesure peuvent être espacés. A l’inverse, le nombre de points et de verticales sont resserrés sur les secteurs où les variations de vitesse ou de hauteur d’eau sont importantes.
Le débit instantané, Q, est le volume d’eau passant à travers une section d’un cours d’eau pendant une unité de temps :

Q [m³/s] = Volume [m³] / temps [s]

En écrivant le volume comme le produit de la section mouillée et de la longueur, on obtient :

Q [m3/s] = Section mouillée [m²] * longueur [m] / temps [s]

Q [m3/s] = Vitesse moyenne [m/s] * Section mouillée [m²]

Le débit Q [m3/s] s’écoulant dans une section d’écoulement S [m2] d’une rivière peut donc être défini à partir de la vitesse moyenne V [m/s] perpendiculaire à cette section par la relation :

Q = V * S

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représentation du débit

La méthode utilisée est choisie en fonction de l’accès au cours d’eau, de son régime hydraulique ainsi que de sa profondeur et la vitesse d’écoulement.

Le jaugeage au moulinet

Le moulinet hydrométrique permet de mesurer la vitesse ponctuelle de l’écoulement. Le nombre de mesures sur une verticale est choisi de façon à obtenir une bonne description de la répartition des vitesses sur cette verticale. De manière générale, on fera entre 1, 3 ou 5 mesures suivant la profondeur du lit.
Le moulinet peut être monté sur différents supports (une perche ou un saumon, par exemple) :

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Micro-moulinet à hélice

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Moulinet monté sur une perche

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Moulinet monté sur un saumon

La vitesse d’écoulement est mesurée en chacun des points à partir de la vitesse de rotation de l’hélice située à l’avant du moulinet (nombre de tours n par unité de temps). La fonction v = f (n) est établie par une opération d’étalonnage (courbe de tarage du moulinet).

Le moulinet monté sur une perche peut être manœuvré de deux manières :

  • directement par l’opérateur placé dans l’écoulement (jaugeage à gué), la perche reposant sur le fond du lit du cours d’eau. Cette méthode est utilisable dans des sections de profondeur inférieure à 1 mètre et avec des vitesses d’écoulement inférieures à 1 m/s.
  • à partir d’une passerelle ou d’un pont, la perche étant suspendue à un support permettant les déplacements verticaux.
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Jaugeage au micro-moulinet dans le lit de la rivière

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Jaugeage au micro-moulinet, monté sur une perche, à partir d’un pont

Le moulinet monté sur un saumon est utilisé pour les jaugeages dans des eaux plus profondes ou des vitesses plus élevées (cours d’eau en crue par exemple). L’ensemble est relié à un treuil manuel ou électrique installé dans un camion.

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Jaugeage au micro-moulinet, monté sur un saumon, relié à un treuil

Le jaugeage au flotteur

Lorsque le jaugeage au moulinet ne peut pas être effectué en raison de vitesses et de profondeurs excessives ou au contraire trop faibles, ou de la présence de matériaux en suspension, il est possible de mesurer la vitesse d’écoulement au moyen de flotteurs. Il s’agit, avec cette méthode, de mesurer uniquement des vitesses de surface, ou plus exactement les vitesses dans la tranche superficielle de l’écoulement (les 20 premiers centimètres environ).
Les flotteurs peuvent être soit artificiels (bouteilles en plastiques), soit naturels (arbres, grosses branches, etc.). Le déplacement horizontal d’un flotteur de surface durant un temps t permet de déterminer la vitesse de l’écoulement de surface. Plusieurs mesures de vitesse du flotteur doivent être réalisées. La moyenne de ces mesures est ensuite multipliée par un coefficient approprié pour obtenir la vitesse moyenne de l’élément. En général, la vitesse moyenne dans la section est de l’ordre de 0,4 à 0,9 fois la vitesse de surface. Cette méthode donne de bonnes approximations du débit, parfois suffisantes pour les études envisagées.

Le jaugeage par sondes électromagnétiques

Différents principes de mesure peuvent être mis en œuvre basés sur le développement récent des instruments utilisant des sondes électromagnétiques. On peut citer notamment les capteurs à ultrason Doppler, fixés sur une planche en surface (bateau ou autre), émettent un signal ultrasonique dans le flux du liquide. Lorsque ce signal est réfléchi par les particules solides ou les bulles d’air, sa fréquence se modifie proportionnellement à la vitesse du fluide. On peut citer le « profileur » de courant à effet Doppler, l’ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) qui permet de mesurer des profils verticaux de la vitesse de l’eau, en utilisant l’énergie acoustique.
Le jaugeage par effet Doppler présente un avantage en temps de mesure et en sécurité pour le personnel.

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Jaugeage par ADCP

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Jaugeage par ADCP

Pour en savoir plus