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Submitted on 19 Mar 2010

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Les dispositifs de mesure des débits dans les bassinsversants agricolesJ.C. Benoist, F. Birgand

To cite this version:J.C. Benoist, F. Birgand. Les dispositifs de mesure des débits dans les bassins versants agricoles.Ingénieries - E A T, IRSTEA édition 2002, p. 51 - p. 63. <hal-00465503>

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Les trop fortes émissions de nutriments dansles milieux récepteurs lacustres et côtierssont à la source des problèmes écologiquesfréquemment observés en France et dans

le monde en général (Vitousek et al., 1997). Réduireces émissions est devenu un objectif prioritaire (ex. :directive nitrate 91/676/CEE). Ces réductionss’adressent particulièrement à l’agriculturepuisqu’entre 40 et 80 % des émissions d’azote dansle milieu récepteur côtier lui sont attribuées enEurope (Isermann, 1990). De multiples travaux derecherche et de suivi de la qualité de l’eauimpliquent bien souvent la mesure des flux denutriments dans les bassins versants agricoles. Lamesure des débits étant un préalable essentiel à lamesure des flux, ce document présente, de façonsuccincte, les dispositifs de mesures de débit dansle domaine de l’hydrologie agricole1.

Le débit correspond à un volume de liquide écoulépendant une unité de temps. Il n’est pas mesuré entant que tel mais calculé à partir d’une ou plusieursgrandeurs mesurées selon les deux expressionsgénérales :

1) Q = fonction de la hauteur, établie à partir d’unecourbe de tarage issue de jaugeages ; ou à partird’une loi de déversoir,

2) Q = produit de la vitesse moyenne × sectionmouillée (cette dernière établie à partir d’une mesurede hauteur).

La validité du calcul est soumise à des hypothèsesrelatives aux conditions d’écoulement dans lasection de mesure, et il convient de vérifier la validitéde celles-ci. Il conviendra aussi de différencier lesmesures dites permanentes, les seules à caractériserle débit de façon acceptable, et les mesures ditestemporaires utilisées pour une estimation ponc-tuelle (permettant un choix de site par exemple) oupour un étalonnage du site (jaugeage). Chaque typede mesure nécessite des équipements quelque peudifférents.

Quel que soit son principe, la mesure de vitesse nese fait en général que localement par rapport à lasection mouillée totale. La vitesse de l’eau mesuréeet enregistrée ne correspond donc pas forcément àla vitesse moyenne recherchée pour le calcul dudébit. Établir une relation entre la vitesse mesuréelocalement dans la colonne d’eau et la vitessemoyenne dans la section mouillée est doncnécessaire pour améliorer l’évaluation des débits.

Si quelques éléments d’appréciation sont formulésici pour tel ou tel dispositif de mesure, nouséviterons volontairement la comparaison entre eux

À l’échelle des bassins versants, la maîtrise des pollutions et la mise en place de stratégies préventivesnécessitent une quantification et une localisation des flux, notamment à partir de dispositifs de mesuredes débits. Ce document présente les principales techniques de mesures des débits et une analyse deleur emploi en fonction des contextes et situations. Les techniques de jaugeage sont rappelées et lesinstruments de mesure de vitesse et de hauteur couramment employés sont inventoriés. La dernièrepartie rappelle les bases de l’acquisition des données qui permettent l’adéquation des équipementsd’acquisition de mesure en fonction des instruments utilisés.

Les dispositifs de mesure des débits dans les bassinsversants agricoles

Jean-Claude Benoist et François Birgand

Cemagref, UR Gestiondes effluentsd’élevage et desdéchets municipaux,17, avenue de Cucillé,CS 64427,35044 Rennes Cedex

Contact

1. Ce document est trèsinspiré de l’excellentouvrage écrit parBertrand-Krajewski etal., (2000) qui dresse defaçon très exhaustivel’état des connaissancespour les mesures enhydrologie urbaine et enassainissement,principes qui peuventêtre transposables àl’hydrologie des bassinsversants agricoles.

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en terme d’incertitude de mesure, car elle serait aumieux insuffisante et au pire erronée. En effet,l’incertitude de mesure est établie à partir d’unesomme des erreurs évidemment liées à celle ducapteur (communément intitulée, dans la docu-mentation commerciale, précision de mesure), maisqui doit être complétée des erreurs dues à laméthode, au milieu, aux opérateurs et à la matière.Ces erreurs peuvent être variables selon le dispositifébauché.

La détermination d’une incertitude de mesure d’undispositif demande un développement à part entièrerelevant d’une démarche métrologique établie àpartir de méthodes dûment approuvées, généra-lement sur la base de normes dont quelques unessont rappelées au cours du texte et auxquelles nousrenvoyons le lecteur.

Les techniques de mesure du débit

Les mesures des débits dans les« grands » bassins versants agricoles(> 2 000 ha ou débit maxi > 3 m³/s)La taille du bassin oriente la technique de mesure.Pour les grands bassins, la détermination de vitessemoyenne en continu à partir d’une seule mesurede vitesse locale est pour le moins délicate. Aussila méthode la plus répandue est d’établir unecourbe de tarage Q = f (hauteur), obtenue parjaugeages répétés suffisamment de fois pourreprésenter au mieux les variations possibles dehauteur d’eau. Le débit est donc évalué par lamesure d’une seule grandeur : la hauteur d’eau.

L’établissement d’une courbe de tarage est uneopération relativement lourde. Les principes enseront rappelés ci-après.

L’hypothèse de base consiste à considérer quel’écoulement est permanent uniforme. Autrementdit, on fait l’hypothèse que la relation hauteur-débitest uniforme et qu’elle ne varie pas au cours dutemps, et en particulier lors d’un événementhydrologique. Cette hypothèse est en généralappropriée mais il convient d’être conscient de seslimites. La limite la plus évidente est que la relationhauteur-débit peut évoluer graduellement ou defaçon soudaine suite à l’évolution des caractéris-tiques physiques de la section où est pratiquée lamesure, mais aussi en aval de celle-ci (dépôts desédiments, emprise de la végétation, embâcle,érosion…). Il peut donc y avoir détarage de la stationde mesure et il est nécessaire d’effectuer descontrôles réguliers pour vérifier la validité de lacourbe de tarage.

Il convient aussi de s’assurer lors de l’installationd’une section de mesure que les caractéristiquesphysiques de la section et du bief associé soient lesplus stables possible. Une deuxième limite de lacourbe de tarage est le caractère parfois nonunivoque de la courbe hauteur-débit lors des crues.En effet, lors de la crue et de la décrue, le régimen’est plus permanent et devient transitoire. Lacourbe hauteur-débit peut donc présenter, entre lacrue et la décrue, une hystérésis forte dans lescanaux à pente très faible (< 0,5 % ; figure 1A), ouplus faible dans les canaux à pente plus élevée(> 1 % ; figure 1B).

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H (mm)

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H (mm)

A B

Crue Décrue

Crue

Décrue

� Figure 1 – Courbeshauteur-débit (A) nonunivoque pour un canal àtrès faible pente(0,02 % ; Plymouth,Caroline du Nord, USA)et (B) quasi univoquepour un canal à penteplus élevée (1,5 % ;Nozay, Loire-Atlanti-que). Données obtenuesavec un débitmètreDoppler.

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Jean-Claude Benoist et François Birgand

Les mesures des débits dans les« petits » bassins versants(< 2000 ha ou débit maxi < 3 m³/s)

L’exploitation d’une relation stable etconnue entre la cote de la surface libreen un point et le débit dans la section.Dans les petits bassins versants ruraux, il s’agit engénéral de bloquer l’écoulement de l’eau dans sonlit naturel pour forcer l’eau à se déverser en chutelibre au-dessus d’une section de contrôle dedimensions connues et non fluctuantes. Cedispositif modifie le régime d’écoulement en créantune transition entre un régime fluvial à l’amont etun régime torrentiel à l’aval du point de mesure.Une relation bi-univoque sous la forme Q = f (h) enfonction du type de déversoir est connue de façonthéorique et peut être utilisée dans la mesure où leshypothèses dans lesquelles cette relation estobtenue sont satisfaites sur le terrain.

Différentes conditions d’installation et d’utilisationsont précisées dans la norme NF X10-311 1983.L’eau en amont du déversoir doit avoir une vitessenégligeable. Il faut donc en général un bassin detranquillisation en amont du dispositif pré-étalonné.Aussi, la mesure de la hauteur h au-dessus du seuildoit se faire à une distance en amont de la structureéquivalente à 4 à 5 fois la hauteur maximale(figure 2A). Une autre condition est que le niveaude l’eau en aval du déversoir doit être suffisammenten dessous de la crête pour assurer un déversementlibre et pleinement aéré. Le déversement libre estréalisé lorsque l’écoulement est indépendant duniveau aval. On obtient un déversement pleine-ment aéré lorsque la pression de l’air sur la surfaceinférieure de la lame déversante est égale à lapression atmosphérique (NF X10-311 1983). Cesconditions ne seront correctement respectées ques’il existe une dénivellation suffisante entre l’amontet l’aval du déversoir.

Un grand nombre de dispositifs fait l’objet denormes internationales dont quelques exemplessont présentés dans la figure 2B (déversoirs à paroimince : norme NF X 10-311 de 1983) et complétéspar une littérature scientifique et technique trèsabondante dans ce domaine (ex : ouvragesd’hydraulique).

Cette méthode de mesure des débits est très bienadaptée aux bassins versants de quelquescentaines d’hectares et est couramment utiliséedans ces conditions. Des déversoirs dits portatifsexistent dans le commerce et peuvent être

facilement installés dans les fossés pour lesquels ledébit ne dépasse pas 150 l/s. En général, lesdéversoirs triangulaires (angle de 90° ou 120°) sontutilisés pour mesurer finement les « petits » débits(< 150 l/s). Pour les débits vraiment très faibles(< 1 l/s), les mêmes déversoirs triangulaires à angletrès aigu (15-25°) sont parfois utilisés. Les déversoirsrectangulaires sont plus adaptés à des débitscompris entre 0,2 et 3 m³/s.

D’autre part, pour des débits supérieurs à 150 l/s, ilest bien souvent nécessaire de faire une installationpérenne impliquant des travaux de génie civil. Pourdes débits de pointe atteignant plusieurs m³/s,l’utilisation des déversoirs devient en général plusdifficile car leur taille devient alors prohibitive. Deplus, la retenue d’eau en amont peut provoquerdes débordements, et le déversement libre en avaldu déversoir peut ne plus être respecté. Pour desraisons environnementales, l’utilisation desdéversoirs dans des ruisseaux qui jouent un rôleimportant pour la reproduction piscicole peutdevenir problématique (obstacle à la remontée).

L’exploration du champ des vitesses dans

une section calibrée

Dans les bassins versants où les conditions nepermettent pas la mise en place de déversoirs, parexemple à cause du manque de dénivelée ou àcause des débits de pointe trop importants, latechnique de l’exploration du champ des vitessesdans une section calibrée existante ou à construirepeut être utilisée. Un aménagement simple, en bois,dans le lit d’un cours d’eau peut être une solutionavantageuse (Birgand et Benoist, en prép.). Le débiten régime permanent peut alors être calculé selonl’expression Q = V × S (V : vitesse moyenne dans lasection et S : surface mouillée).

� Figure 2 – (A) schémad’un déversoirtriangulaire à paroimince et (B) principauxtypes de déversoirs àparoi mince.

Rectangulaireavec contractionlatérale

Trapézoïdal(Cipoletti)

Rectangulairesans contraction

Triangulaire

Circulaire

B

hL

L = 4 à 5 hmaxh = section de mesure de la

hauteur d’eau

A

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Cette méthode semble être performante maisn’exclut pas pour autant la comparaison, voirel’affinage de cette expression, par un jaugeage. Eneffet, dans les sections mouillées assez petites, onpeut admettre que la vitesse mesurée par le capteurest la vitesse moyenne. Pour les sections plusgrandes, il faut établir une relation entre la vitesselocale mesurée par le capteur et la vitesse moyennesur toute la section mouillée. Cette relation estobtenue en effectuant des jaugeages pour diffé-rentes vitesses. Pour les sections calibréesrégulières, cette relation est linéaire.

Le grand avantage de cette technique de mesureest qu’elle permet de s’affranchir de la nécessitéd’une relation stable entre hauteur et débit quelquesoit le régime d’écoulement, comme présenté ci-dessus, ou au contraire de la conforter si elle existeet de l’identifier sans campagne de jaugeagespécifique. La limite de cette technique est que larelation vitesse moyenne-vitesse locale mesurée parle capteur doit être linéaire.

Les mesures des très petits débits(< 1 l/s)La mesure des très faibles débits dans le contextedes bassins versants agricoles peut être considérécomme relativement anecdotique. Toutefois onrappelle ici quelques techniques simples.

La première est l’utilisation de déversoirs triangu-laires à angle très aigu présentés auparavant. Laseconde est la technique par empotement quiconsiste à chronométrer le temps de remplissaged’un récipient gradué sous une chute d’eau donton cherche à estimer le débit (figure 3). Cettetechnique est indifférente aux fluctuations de formede la section. Elle peut être utilisée comme moyende jaugeage d’un déversoir par exemple. Elle n’est,en revanche, pas automatisable.

Enfin, la technique de l’auget basculeur couram-ment utilisée pour la mesure de la pluviométriepeut s’appliquer dans ces conditions de très faiblesdébits. Le principe est illustré sur la figure 4. Lorsquele premier auget se remplit, il y a déplacement deson centre de gravité jusqu’à basculement parl’intermédiaire du pivot. Il se vide pendant quel’auget opposé, replacé au niveau de l’alimentationd’eau, se remplit à son tour. Les basculementspeuvent alors être enregistrés et horodatésautomatiquement.

À notre connaissance, ce système n’est pascommercialisé et son utilisation reste ponctuelle,dans les laboratoires de recherche bien souvent.

Les éléments de choix des techniquesPour conclure cette partie, s’il semble évident quepour mesurer les débits dans un collecteur dedrainage, dans un fossé ou une rivière, on ne ferapas appel aux mêmes techniques, le choix pourune situation donnée n’est pas unique pour autantet dépend d’un certain nombre de facteurs.

Le premier d’entre eux, est sans doute la gammedes débits à mesurer. La figure 5 propose unrécapitulatif des gammes de débit généralementadaptées pour les techniques présentées ci-dessuset qui permet une première discrimination.

Selon les situations, d’autres facteurs rentrent enjeu :

– la pente ou la dénivellation. Dans un cours d’eauà très faible pente, l’emploi d’un déversoir peutêtre exclu, auquel cas, les techniques de la sectioncalibrée et de la courbe de tarage s’imposeront ;

– l’aspect pérenne ou provisoire de l’installation.L’installation d’un déversoir permet de s’affranchirde l’établissement d’une relation hauteur-débit, maispeut en revanche imposer des travaux de géniecivil pour des débits assez importants. La techniquede la section calibrée pouvant se réduire àl’installation d’un débitmètre dans une buseexistante peut être un compromis intéressant ;

Seau gradué

Retenue

Chronomètre

� Figure 3 – Schémade principe d’unemesure de débit parempotement.

� Figure 4 – Schémade principe d’undébitmètre à augetbasculeur pour les trèsfaibles débits.

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0,1 1 10 100 1 10 100

Courbe de tarage

Vitesse et section calibrée

Déversoir rectangulaire

Déversoir triangulaire

Empotement

Augets basculeurs

Déversoir triangulaireà angle très aigu

l/s m³/s

– l’incertitude de mesure. L’utilisation d’undéversoir permet des mesures plus fines en général,même s’il existe sûrement des cas où d’autrestechniques peuvent s’avérer intéressantes ;

– le contexte écologique et/ou administratif.Certaines règles écologiques (obstacles à laremontée des poissons dans le cas des déversoirspar exemple) et administratives (aménagement descours d’eau réglementé) peuvent imposer ouproscrire telle ou telle technique.

Les techniques de jaugeageUne littérature scientifique et technique trèsabondante a été consacrée à ces dispositifs en plusdes normes auxquelles nous renvoyons le lecteur.Seront donc rapportés ici les principes schéma-tiques. Le jaugeage consiste à explorer des champsde vitesses locales d’écoulement en différents pointsà travers une section mouillée afin de déterminer lavitesse moyenne d’écoulement à travers cettesection. Un exemple est présenté sur la figure 6.À partir d’une mesure conjointe de la hauteur, ledébit Q peut être calculé par intégration. Ainsi estdéterminé Q = f (h) dite courbe de tarage.

La technique du moulinetC’est une méthode de référence développée à partirde l’appareil appelé « moulinet » défini par la normeNF ISO 2537 (1989). Il est composé d’une hélicedont la vitesse de rotation est une fonction de lavitesse de l’eau dans son voisinage. Les courbesd’étalonnage sont établies à partir de cet équipe-ment selon différentes normes (NFX 10-301 de1970 ; NFX 10-305 de 1991).

Le « courantomètre »La méthode de mesure est similaire à celle dumoulinet à partir d’un ensemble de mesures devitesses ponctuelles au sein d’un écoulement. Lesappareils principaux sont le « courantomètre »électromagnétique et le « courantomètre » à effetDOPPLER. Seul le premier est décrit ci-après carle second, de technique similaire à ceux descapteurs de vitesse, sera explicité un peu plus loin.

Le principe du « courantomètre » électromagné-tique, basé sur une loi de Faraday est le suivant.

Le déplacement d’un corps conducteur, ici l’eau,(de conductivité > 5 µS/cm) à travers un champmagnétique induit une force électromagnétiqueproportionnelle à la vitesse du déplacement ducorps (l’eau). Bien adapté aux mesures locales devitesse par l’emploi d’un capteur électromagnétiqueà électrodes affleurantes (semblable extérieurement

� Figure 5 – Gammesde débits et techniquesusuelles de mesureassociées.

� Figure 6 – Schémati-sation d’une opérationde jaugeage en utilisantla technique du pointunique. Les vitesses V

i

sont mesurées aumoulinet ou couranto-mètre au point uniquesitué à 40 % de laprofondeur dans chaquecolonne imaginaire. Onfait l’hypothèse quecette vitesse ponctuellecorrespond à la vitessemoyenne sur la colonne i.

Q = Qi� Vm =SQ

Vi Vc

40 %de la profondeur

Débitmètre Doppler

Vi : vitesse dans la colonne iVc : vitesse dans la colonne centraleQi : débit dans la colonne iQ : débit total sur la section mouillée

Vm : vitesse moyenne dans la section mouilléeSi : section mouillée de la colonne iS : section mouillée totale

S = � Si

ccc SVQ ��

iiiSVQ ��

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02 aux sondes DOPPLER), des adaptations pour uneinterprétation d’une vitesse moyenne de la sectionmouillée impose des travaux de génie civilimportants par la pose d’une bobine d’inductionsituée sous l’ensemble de l’écoulement. Cetteadaptation est décrite dans la norme NF X 10-336(1993).

Ces appareils sont considérés comme des appareilsd’étalonnage avec une précision de mesure devitesse locale de l’ordre de 1 %.

Le traçageCette méthode consiste à mesurer un débit à partird’une mesure de la dilution ou du passage d’untraceur chimique ou radioactif injecté dansl’écoulement étudié. La concentration en traceurest mesurée à l’aval au point d’injection au droitd’une section de mesure située à une distance ditede bon mélange. La méthode complète est décritedans la norme NF ISO 9555-1 (1994), soit parinjection instantanée, soit par injection à débitconstant. L’incertitude de mesure sur le débit peutêtre estimée à moins de 5 %.

Les capteurs pour la mesurepermanente du débitComme on l’a vu précédemment, le débit peut êtremesuré indirectement selon les conditions du sitesoit par la mesure de la hauteur seule ou par lamesure combinée de la hauteur et de la vitessemoyenne ; cet appareil étant dénommé commu-nément « débitmètre ». Dans les deux cas, leprincipe de mesure de la hauteur est similaire. Cettepartie traitera donc d’une part des capteurs demesure de vitesse moyenne et des capteurs demesure de hauteur.

La mesure de vitesse moyenneEn hydrologie, deux principes émergent : mesuredu temps de transit d’ondes ultra sonores et mesurepar effet DOPPLER d’ondes ultra sonores.La méthode électromagnétique a été décriteauparavant.

La mesure du temps de transit d’ondes

ultra sonores

Deux céramiques ultrasonores alternativementémettrices et réceptrices sont installées sur les bordsopposés des berges avec un angle ß donné parrapport à la direction de l’écoulement selon lafigure 7.

Le principe est de mesurer la différence des tempsde propagation d’ondes ultra sonores entre cellesqui se déplacent dans le sens de l’écoulement etcelles dans le sens contraire. Cette méthode estdécrite dans les normes NF ISO 6416 (1994) etNF ISO 6418 (1986). La vitesse moyenne est déduitepar une fonction de la différence du temps depropagation.

Elle a un intérêt certain pour mesurer la vitessemoyenne dans les cours d’eau d’assez grandesdimensions.

La mesure par effet DOPPLER

Le principe de mesure consiste à déterminer lavitesse de l’écoulement à partir du décalage defréquence produit par l’effet DOPPLER (figure 8).

Schématiquement une onde ultra sonore est émiseà partir du capteur à une fréquence N et sous un

Vue de dessus

B

L

V

Q

A L.cos ( )�

�

lV AB

� Figure 7 – Principe de mesure du temps de transit d’ondesultra sonores.

Coupe longitudinale

Cône d’émission

Sens d’écoulement

Capteur

Angle �

Angle �

� Figure 8 – Principe de mesure de la vitesse pareffet Doppler.

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angle ß par rapport à l’écoulement. Celle-ci sepropage en formant un cône puis est réfléchie versle capteur par les particules en suspension avecune fréquence N + ∆N (∆N = 0 si la vitesse del’obstacle est égale à zéro). Cette technique admetcomme condition fondamentale la présence departicules en suspension ou de bulles d’air sedéplaçant à la même vitesse que l’eau.

La difficulté majeure est le traitement du signal quiest très complexe (et le plus souvent bien protégépar son concepteur et donc non connu). Entre autre,l’information brute recueillie par le capteur, sousforme d’un spectre d’énergie, est variable selon ledébit, la surface mouillée, le volume exploré, lesmatières en suspension (concentration, granulo-métrie, répartition), la température… Cependant ceprincipe donne globalement satisfaction, aussi, àdéfaut de norme sur cette technique (un projet denorme est en cours ), il convient d’être prudent etattentif à la fiabilité et à la précision du dispositifutilisé.

Dans le cas où le cône de mesure dans un petitcours d’eau couvre bien la section mouillée totale,on pourra confondre la vitesse mesurée avec lavitesse moyenne. Pour des cours d’eau plus larges,il faut nécessairement établir une relation entre lavitesse moyenne et la vitesse mesurée.

Le volume du cône exploré et la distance maximalede pénétration dépendent de la charge en particulesdans l’eau mais aussi des appareils. Certainsexplorent 50 cm devant l’appareil, alors qued’autres explorent jusqu’à plus de 1 m pour lesmêmes conditions de turbidité. Le choix desappareils dépendra donc de la hauteur d’eaumaximale escomptée. La technique peut s’appli-quer jusqu’à des hauteurs d’eau de 1,5 m.Néanmoins, lorsque la hauteur d’eau dépasse cesvaleurs, la mise en place du capteur sous flotteur aété testée avec succès dans le domaine del’assainissement (Bertrand-Krajewski et al., 2000).

La mesure des hauteurs d’eauEn hydrologie, un certain nombre de techniquespermet la mesure des hauteurs d’eau. Elles peuventêtre classées en deux catégories : mesurage dutemps de transit d’une onde ou mesurage de lapression.

Les capteurs à ultrasons

Le principe consiste à mesurer le temps de parcourtaller-retour d’une onde qui est réfléchie parl’interface air-eau. Les capteurs peuvent être aériens

selon la figure 9 (les plus communs) ou immergésselon la figure 10. La distance d séparant le capteurde la surface de l’eau est directement proportion-nelle au temps de transit de l’onde et dépendant dela célérité des ultrasons dans l’air (aériens) ou dansl’eau (immergés).

Les capteurs aériens à ultrasons, très faciles àposer, ne gênant pas l’écoulement, sont trèssensibles aux éléments suivants :

– écume, corps flottant à la surface de l’eau ;

– turbulence de l’air et du vent ;

– température de l’air (en général compensée) etsurtout au gradient de température le long duparcourt jusqu’à la surface de l’eau.

Zone morte

h

Capteur

d

� Figure 9 –Capteur de hauteur aérien à ultrasons.

� Figure 10 – Capteur à ultrasons immergé.

Capteur

Zonemorte

Tube 1 perforéavec filtre

Tube 2 alimentépar le tube 1

dh

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02 C’est pourquoi l’apparente simplicité d’installationpeut poser des problèmes de fiabilité de mesure àl’air libre en milieu ouvert. Ceci peut être néanmoinsamélioré en isolant l’eau dans un tuyau vertical eten installant le capteur au sommet de ce tuyau.

Les capteurs à ultrasons immergés (figure 10, p. 57)demandent une installation plus compliquée car ilfaut les protéger des dépôts et même du transportsolide qui perturbent l’émission des ondes. Enoutre, cette installation peut gêner l’écoulement.Le gros avantage est le fonctionnement dans unenvironnement relativement stable en température(compensée) et surtout un faible gradient detempérature le long du parcourt dans l’eau.

La sensibilité à la variation des sels dissous dansl’eau qui a une influence sur la valeur de la céléritédes ultrasons et donc des erreurs de mesure, nedevrait pas être préjudiciable à une utilisation deces capteurs dans le domaine de l’hydrologieagricole. Le développement de ces capteurs dansle milieu des années 80 semble actuellements’estomper quelque peu.

Les capteurs de pression hydrostatique

Le principe, présenté dans la figure 11, est la mesurede la pression hydrostatique d’une colonne d’eauau moyen d’un capteur de pression immergé. Lecapteur comprend une membrane souple qui subitune déformation mécanique variable en fonctionde l’effet du poids de l’eau qui la surplombe, lapartie opposée de la membrane étant mise à lapression atmosphérique par l’intermédiaire d’uncapillaire. C’est le système de transformation decette déformation mécanique en un signal électriqueappelé transducteur qui différencie l’appellationdes types de capteurs de pression dont la listeprincipale est la suivante : piézo-résistifs à jaugeextensométrique (jauges de contrainte métalliqueou semi-conducteur) ; inductif (tend à disparaître) ;magnétique ; capacitifs ; piézo-électriques-résistif,etc.

Dans les domaines hydrologie agricole/assainis-sement, les capteurs les plus usuels sont de typepiézo-résistif à jauges métallique ou céramique(développement plus récent), ou capacitif (trèsgrande étendue de mesure mais très volumineux).Bien adapté en hydrologie agricole, ce capteur depression demande une installation convenable etpeut gêner l’écoulement. Les sources d’incertitudesse limitent principalement à la variation de pressionentre la surface de l’eau et le point de prise depression atmosphérique (0,0012 m/m).

Le point le plus sensible est l’influence de lapression dynamique sur la mesure de pressionstatique donc de la hauteur. Il convient alors deprotéger le capteur de cette influence par un puitsde tranquilisation ou par un carénage. Il convientde signaler que ce capteur immergé dans l’eau avecson circuit électrique peut être sensible à la foudre ;plusieurs installations ont été détruites de cettemanière.

Le défaut majeur qu’il lui était attribué dans lesannées 70/80 était sa dérive dans le temps (liée àl’aspect mécanique de la membrane : fatigue). Outrele fait que ces produits ont subi des améliorations,la notion de dérive existe bel et bien. Cependanten métrologie, on doit raisonner en terme d’erreurde mesure globale, régulièrement déterminée àpartir de vérification ou d’étalonnage, et ce quelque soit le type de mesure et de capteur. La dérivequand elle existe, peut alors être associée àl’incertitude de mesure.

Ce n’est qu’à partir de là que l’on peut comparerles performances à 6 mois, à 1 an (périodicitécommunément admise en terme de vérification/étalonnage) d’un instrument à un autre, en faisantla somme des erreurs pour chacun d’eux (linéarité,reproductibilité, hystérésis, résolution, dérive…).Dans ce domaine, le fascicule de documentationFD X 07-021 donne de précieuses indications.

Pour revenir au capteur de pression, la dérivedeviendrait préjudiciable à la mesure si elles’accompagnait d’un défaut de linéarité et desensibilité, ce qui n’est en général pas le cas. Aussiune dérive, certes réduite, ne remet pas en causeles mesures si le capteur de pression est régulière-ment recalé (communément intitulé calage du zérode périodicité minimale 6 mois-1 an).

Les capteurs de pression bulle à bulle

Le principe, schématisé dans la figure 12, consisteà envoyer un débit d’air, au moyen d’un compres-seur, dans un tube immergé dont l’extrémité doit

Tube de protectiondu capteurAgrandissementSortie signalCapteurTransducteur

MembraneCapillairede mise àla pressionatmosphérique

� Figure 11 –Capteur de pressionimmergeable.

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être placée à une cote fixe et constante, d’unepression telle qu’elle puisse vaincre la pressionexercée par la colonne d’eau. La pression résultantde la hauteur d’eau correspond au moment où lespremières bulles s’échappent de la partie inférieuredu tube (quelques bulles/s).C’est cette pressionnécessaire qui est mesurée par un capteur depression (non immergeable) de principe similaire àceux indiqués auparavant.

D’installation aisée (seul le tube de prise de pressionest immergé), les inconvénients majeurs sont :

– la vitesse de poursuite. En effet un délai minimumest nécessaire pour que la pression de l’air soit enéquilibre avec la colonne d’eau. Selon que l’on esten montée (crue) ou en descente (décrue), il y asous-estimation ou surestimation de hauteur, doncdu débit temporaire. Cet aspect est minimisé enaugmentant le nombre de bulles/s ;

– la vitesse d’écoulement. Pour des hauteursfaibles (moins de 5 cm) et des vitesses fortes (plusde 0,8 m/s), un phénomène d’aspiration de bulles,par effet Venturi, peut se produire et fausse lesrésultats de mesures (Laveuf et Phillipe, 1982) ;

– l’incertitude liée au capteur de pression. Il y alieu d’ajouter les pertes de charges dans le tube.

Cette technique largement employée dans lesannées 80 tend à se réduire pour des motifs demanque de fiabilité, probablement due à l’additiondes facteurs de risque par rapport au capteurimmergé : compresseur, risque de fuite auxdivers branchements du tube alors que cettetechnique est plus ancienne que celle des capteursimmergeables.

Les autres types de capteurs de mesure de

hauteur d’eau

Mesure par un réglet électronique immergéCe type de capteur (de développement récent) seprésente sous la forme d’une règle équipée denombreuses cellules de mesure de conductivité.Un signal électrique est émis à travers l’eau tout lelong du réglet. Le niveau d’eau est déterminé par laposition du point de discontinuité entre laconductivité de l’eau et celle de l’air.

Si l’inconvénient majeur est la gêne dans l’écoule-ment, son principe est simple, précis et robuste.D’un coût élevé, il paraît cependant très bien adaptéaux conditions de l’hydraulique agricole bien qu’ànotre connaissance, cet instrument ne soit pasautonome (avec une sortie analogique ounumérique standardisée par exemple), et n’estvendu qu’avec son propre traitement du signalassocié à son enregistreur intégré. Capteur trèsrobuste par rapport aux eaux chargées, il est aussisensible à la foudre.

Mesure par un codeur limnimètrique à flotteurAutonome ou associé à un limnigraphe à flotteurexistant, celui-ci transmet son mouvement enfonction des variations de hauteur d’eau sur uneroue d’un codeur (par un système mécaniquepoulie/câble) dont le principe fonctionne commeun potentiomètre (figure 13, p. 60). Distribué avecune sortie analogique (du potentiomètre), numéri-que RS 2322 ou associé à son propre enregistreurintégré, il est mécaniquement fiable et robuste. Sonaspect imposant associé à une installationuniquement dans un puits peut gêner l’écoulement.

Compresseur Capteur de pressiondifférentielle

Tube de mesurede pression

Rilsan

Tubed’injectiond’air1 à 2 bulles

Rilsan

hb

Offset Zo

h = hb + Zo Sens de l’écoulement

A B

Extrémité immergéedu bulle à bulle

� Figure 12 – (A)schéma de principe ducapteur bulle à bulle et(B) positionnement del’extrémité du tubebulle à bulle par rapportà l’écoulement (d’aprèsBertrand-Krajewski etal., 2000).

2. RS 232 : connecteurstandard d’interfacesérie des ports decommunication COM desordinateurs.

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Mesure par capteur radarInitialement adapté pour le milieu industriel dansdes conditions difficiles (hautes températures etpression, couche gazeuse variée…), le principe estidentique à celui des capteurs ultrasons aériens(avec des ondes de fréquence beaucoup plusélevée). Aux avantages des capteurs ultrasonss’ajoute la quasi-insensibilité aux variations etgradients de température. Ses qualités métro-logiques associées à la simplicité d’installation enfont un appareil performant. Reste qu’il est encored’un coût élevé et plus adapté pour les hauteursd’eau importantes (plusieurs dizaines de mètresavec une résolution de mesure de l’ordre du cm) ;son utilisation ne concerne donc pas actuellementles mesures hydrologiques agricoles.

La mesure combinée de la hauteur et dela vitesse moyenneSur le marché, on trouve essentiellement unemesure de la vitesse par effet DOPPLER associée àune mesure de hauteur par le principe du bulle àbulle, par une sonde de pression immergeable oupar un capteur à ultrasons aérien.

L’acquisition des mesures

Il n’y a pas, dans l’acquisition de mesure, despécificité à l’hydrologie agricole. Cependant, ilnous semble important de rappeler que les moyensd’acquisition de la mesure devront être adaptés àla capacité de mesure des capteurs (précision,étendue de mesure…) présentée ci-dessus. Aussipour des agents de terrain, non forcémentspécialistes de l’acquisition de la mesure, deséléments basiques de compréhension du chemine-ment des informations de la prise de mesure à lalecture sur un ordinateur, sont nécessaires pouréviter des associations incohérentes.

Ce cheminement des informations nécessite unensemble d’équipement, appelé chaîne de mesure.L’objectif doit être l’obtention de données finalesexploitables par un ordinateur qui ne peuvent êtreque des valeurs discrètes (format binaire).

Les moyens de mesureDéjà évoquée plus haut, la mesure, autre qu’unelecture visuelle, est généralement issue d’uninstrument de mesure approprié qui doit êtrecapable d’émettre ou de délivrer un signalsignificatif du milieu et de son évolution. Un premiersignal (électrique ou non) est émis par untransducteur. Celui-ci est transformé par unconditionneur (en général électronique) en unegrandeur électrique (tension, courant, fréquence,résistance, capacité…). Cette grandeur électriqueest convertie par un transmetteur en un signalstandardisé dit :

– sortie analogique. C’est un signal électriquenormalisé continu émis par un instrument demesure, et qui est du type tension (0-1 V ; 0-2 V ;0-5 V...) ou courant (4-20 mA), et représentelinéairement l’étendue de mesure de la grandeurphysique à mesurer par rapport à cette échelleanalogique. Ces instruments sont communémentappelés capteurs-transmetteur ;

– sortie numérique. L’instrument de mesure délivredirectement numériquement la valeur en codagebinaire (discrète) par un convertisseur analogique/numérique de la grandeur physique mesurée.

Les moyens d’acquisitionDifférents systèmes de liaison entre la sortieanalogique ou numérique délivrée par un instru-ment de mesure existent (l’ordinateur peut êtreutilisé en tant qu’outil d’acquisition, à l’aide d’unecarte d’acquisition incorporée, par exemple). Lemoyen le plus usuel dans l’acquisition de donnéespour l’hydrologie agricole, est l’utilisation d’uneinterface. L’interface la plus commune est la sortieRS232. En amont de cette sortie, les donnéesdevront être formatées sous forme numérique pourêtre transmises ensuite à un ordinateur par le portsérie.

L’équipement terrain comprend donc un ensembled’éléments dont les extrémités sont le ou les capteurset la sortie RS232. L’élément intermédiaire estcommunément intitulé centrale d’acquisition etd’enregistrement des mesures dont le composantessentiel est le convertisseur analogique/numérique.

Flotteur

Contre poids

Roue codeuse :fonctionne comme unpotentiomètre(transducteur)

Niveau d’eau

� Figure 13 – Principed’un codeur limni-mètrique à flotteur.

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Les équipements de mesure qui délivrent directe-ment un signal numérique et complétés d’une sortietype RS 232 sont en plein développement. Pour lesdonnées terrains, ces équipements ne formantqu’un seul outil compact et indissociable (sondemultiparamètre, par exemple), comprennent leurpropre module d’acquisition et d’enregistrement.Aussi les divers cheminements de l’informationdeviennent transparents vis-à-vis de l’utilisateur etne seront pas développés.

La centrale d’acquisition

Principe de fonctionnement

La première fonction d’une centrale d’acquisitionest la lecture du signal analogique d’un capteur-transmetteur, telle un voltmètre, que l’on appelleaussi voie de mesure. Aussi, cette lecture peut êtredirecte si le capteur est prévu pour délivrer un signaltension, ou indirecte si le capteur est prévu pourdélivrer un signal courant (4-20 mA en général).Dans cette dernière configuration de capteur, il fautajouter aux bornes de la lecture, une résistance Rappropriée telle que R = U/I.

La seconde fonction essentielle est la conversionde la lecture du signal analogique (valeur continue)en une donnée numérique (valeur discrète) par unconvertisseur analogique/numérique. Le convertis-seur est défini en nombre de bits. Par exemple uneconversion sur 8 bits permet de disposer de 28

valeurs discrètes soit 256. À l’incertitude de mesureliée au capteur s’ajoute une erreur complémentaireappelée erreur de résolution R du convertisseur(centrale) définie comme suit :

R = EM/(2n – 1) (1)

avec : EM = étendue de mesuren = nombre de bits

Par exemple, soit un capteur d’une EM de0-2000 mm et d’une incertitude de mesure globalede 0,2 % du maximum de l’étendue de mesure,l’incertitude globale (∆EM) pour toute mesure estde 0,2/100 × 2 000, soit de ± 4 mm. L’erreur derésolution complémentaire due à un convertisseur8 bits (selon (1)) est de 2 000/255 soit 7,8 mm ;pour un convertisseur 12 bits, elle serait de 2 000/4 095 soit environ 0,5 mm.

Le choix du convertisseur doit donc rester cohérentavec l’incertitude globale du capteur avant cetteconversion et s’établit généralement selon la règlesuivante : nombre de valeurs discrètes minimumnécessaires N > 5 × EM/∆EM.

En reprenant l’exemple précédent, le calcul indiqueN > 2 500. Un convertisseur de 11 bits est tropfaible (211 = 2 048) donc le choix approprié est unconvertisseur 12 bits (212 = 4 096). Naturellementce choix influe sur le coût du système d’acquisition.

Une centrale d’acquisition est caractérisée aussipar le nombre de voies de mesure correspondantau nombre de capteurs qu’il est possible de reliersimultanément. Elle peut aussi être munie de voiesspécifiques (voie de comptage pour les pluvio-mètres à augets basculeurs par exemple). Elle estcomplétée d’un système d’enregistrement (avecaffichage éventuel des données) et d’une sortie typeRS232. Par ailleurs, dans la présentation du système(influençant le mode d’utilisation), trois grands casde figures sont rencontrés :

– des fournisseurs de centrale (donc modulaire) etdes fournisseurs de capteurs avec leur sortieanalogique standardisée ;

– des fournisseurs de centrale, à l’origine, mais quidéveloppent des types de capteurs particuliers ;

– des fournisseurs de capteurs qui développentdes systèmes d’enregistrement jusqu’à des systèmescomplètement intégrés.

Dans les deux derniers cas, un premier assemblageest déjà pré-préparé par le fournisseur du systèmeavec différentes options standardisées possibles.

Les stratégies d’échantillonnage

Pour des raisons d’encombrement de la mémoire(point faible des centrales autonomes), toutes lesdonnées converties ne sont pas stockées. Lescentrales disposent d’algorithmes plus ou moinscomplexes relatifs à la cadence de scrutation ducapteur avec en option des choix en fonctiond’événement particulier (augmentation ou diminu-tion de la cadence). D’autres stratégies d’acquisitionplus ou moins complexes sont possibles, le toutétant naturellement d’aboutir à un nombre finid’enregistrements horodatés.

Les autres considérations

pour l’acquisition des données

Le signal numérique est un signal assez indifférentà l’environnement (électromagnétique notamment),alors que les signaux analogiques sont sensiblesnotamment en fonction de la longueur du câblage.Pour réduire ce risque, une sortie analogiqued’échelle 4-20 mA est préférable. Le dévelop-pement des systèmes intégrés qui permettent detraiter au plus près les signaux analogiques ensignaux numériques, constitue une étape décisivedans ce domaine.

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02 Au niveau des centrales d’acquisition, on trouvesur le marché des centrales simplement paramé-trables (système fermé), généralement dédiées à desdomaines d’utilisation (hydrologie-météorologie…)ayant quelques fonctions de pilotage encadrées(sous forme de seuil). On trouve aussi des centralesparamétrables complétées d’une fonction automate(avec un langage de programmation intégré)permettant de construire son propre process,indépendamment de l’ordinateur. Enfin, il existeaussi des centrales entièrement programmables viaun ordinateur (sous langage informatique type C…).Si elles permettent une automatisation complèted’un process, certaines exigent une liaisonpermanente avec l’ordinateur, qui ne les rend guèreadaptées pour le terrain.

ConclusionNous avons décrit succinctement un certain nombrede dispositifs permettant in fine de mesurer un débitdans un bassin versant. Si ici ou là des avantages etinconvénients ont été formulés, ils ne permettenten aucun cas l’exclusion de tel ou tel instrumentde mesure, a priori. Le choix d’un dispositif(instrument et technique de mesure) doit relever

d’une réflexion préalable où il est admis que c’estune tâche qui peut parfois être complexe et cela enfonction de l’objectif poursuivi (ou souhaité) et dela situation existante. Cela ne peut aboutir qu’à uncompromis entre étendue de mesure/incertitude/coût/fiabilité/maintenance, tout particulièrementlorsque qu’une automatisation est envisagée — cequi n’est pas toujours nécessaire. C’est probable-ment sur l’aspect de la détermination de l’incertitudede mesure d’un dispositif que des marges deprogrès importantes sont encore à réaliser dans ledomaine de l’hydraulique des bassins versants.

Dans le domaine de l’hydrologie urbaine et del’assainissement, quelle que soit la techniqueemployée, il est admis qu’il est illusoire d’espérerobtenir une précision sur le débit bien inférieure à15 % (Bertrand-Krajewski et al., 2000). Uneincertitude globale de mesure sur le débit de 15 à20 % est jugée acceptable. À titre de comparaison,avec un dispositif pré-étalonné (type déversoir),l’incertitude globale de mesure sur le débit est del’ordre de 5 à 10 % selon le type de dispositifs. Iln’y a pas de raison pour que ces valeurs soientsensiblement différentes dans le domaine del’hydrologie agricole. ❒

Résumé

De multiples travaux de recherche et de suivi de la qualité de l’eau impliquent bien souvent lamesure des flux de nutriments dans les bassins versants agricoles. La mesure des débits étant unpréalable essentiel à la mesure des flux, nous proposons un inventaire et une analyse des disposi-tifs de mesure de débit dans le domaine de l’hydrologie agricole. Dans une première partie, nousprésentons les principales techniques de mesures des débits : utilisation des déversoirs, descourbes de tarage et exploration du champ des vitesses dans des sections calibrées. Une analyse deleur emploi en fonction des contextes et situations est aussi fournie. Un rappel sur les techniquesde jaugeage est proposé en deuxième partie. Les instruments de mesure de vitesse et de hauteurcouramment employés sont ensuite inventoriés. La dernière partie rappelle les bases de l’acquisi-tion des données qui permettent l’adéquation des équipements d’acquisition de mesure en fonc-tion des instruments utilisés.

Abstract

Water quality research and monitoring works often involve nutrient flux measurements withinagricultural watersheds. Flow rate measurements being essential for nutrient flux calculations, wepropose an inventory and an analysis of flow measurement devices commonly used in hydrology. Inthe first part, we present the main techniques for flow measurements: use of weirs, use of stage-discharge curves and velocity-area methods in a calibrated section. An analysis of their use fordifferent situations is given. Main stream gauging techniques are proposed as a reminder in thesecond part. Water velocity and elevation measurement devices commonly used are described in thefollowing part. In conclusion, we recall the bases of data recording and the need for coherencebetween recording and measuring devices

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Jean-Claude Benoist et François Birgand

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