Bon, je ne sais pas trop par où commencer tellement il y a à dire.
Disclaimer : j'ai fait toute ma carrière de chercheur à Lyon dans une unité de recherche qui travaille sur l'hydrologie (en gros chercher à connaître les débits dans un cours d'eau et comment la pluie se transforme en débit) et l'hydraulique (mesurer, modéliser et calculer les grandeurs caractéristiques des écoulements dans un cours d'eau). Mon job c'était le développement de codes de calcul pour l'hydraulique. Et le dernier modèle numérique sur lequel je suis intervenu était un modèle de l'Adour aval.
Pour faire direct, je dirais qu'on ne sait pas mesurer directement le débit dans une rivière. Il y a plusieurs raisons à cela. Le débit est une variable qui intègre le champ de vitesse dans une section verticale de la rivière. Ce champ de vitesse n'est pas uniforme et donc il faut avoir beaucoup de mesures locales dans un même plan vertical et au même moment. Ça c'est très difficile à faire, surtout dans les situations où les mesures de débit sont les plus intéressantes, c'est-à-dire en crue. C'est particulièrement vrai pour les grands cours d'eau. Une technique de plus en plus utilisée utilise un ADCP. C'est la technique utilisée par la Compagnie Nationale du Rhône pour mesurer les débits du Rhône. L'inconvénient c'est que ça n'est utilisable que pour la part de débit du lit mineur. En crue il est dangereux d'envoyer un bateau faire des traversées bien orthogonales à l'écoulement et en plus on ne peut pas atteindre les zones où la rivière déborde (lit majeur). Dans ces cas là, et pour des rivières par trop larges, on peut utiliser des techniques de LSPIV (Large Scale Particle Image Velocimetry) qui, à partir de vidéos qui ont enregistré le déplacement des structures de surface ou des objets flottants, reconstitue un champ de vitesse horizontal qu'on peut relier, avec pas mal d'approximation, au débit.
Quand on trouve des données de stations de mesure qui fournissent des débits en plus des hauteurs d'eau, c'est parce les métrologues ont établi une relation entre le niveau et le débit. On appelle ça une courbe de tarage (rating curve en anglais). On se base sur des mesures de débits pour les débits habituels (jusqu'aux petites crues non débordantes) et ensuite des extrapolations des pluies pour les gros débits (grandes crues). Ces courbes de tarage sont fortement non linéaires. La construction des courbes de tarage, leur validation et l'estimation de leur incertitude est un champ de recherche actif à lui tout seul.
La connaissance des écoulements repose, outre des mesures hydrométriques, bathymétriques et topographiques, sur des modélisations mathématiques plus ou moins complexes. C'est un domaine très actif depuis près de 2 siècles tant en recherche qu'en ingénierie et des milliers de chercheurs, ingénieurs et techniciens travaillent sur ces sujets partout dans le monde.
Les modèles mathématiques sont basés sur les équations d'Adhémar Barré de Saint-Venant présentées dans un Compte-rendu de l'Académie des Sciences en 1871. Les anglo-saxons les appellent Shallow Water Equations. Ce sont des équations aux dérivées partielles instationnaires hyperboliques non linéaires à 1 ou 2 dimensions d'espace (plus le temps), donc qui ont tout ce qu'il faut pour être difficiles à résoudre. En particulier ce sont des modèles qui peuvent faire apparaître des discontinuités à partir de données continues : ressaut hydraulique, onde de rupture de barrage, mascaret, tsunami.
En ce qui concerne la production du débit à partir de la pluie c'est un des champs de recherche des hydrologues. Là aussi c'est très compliqué, à cause d'une part de la multiplicité et de la complexités des phénomènes physiques qui interviennent (évapotranspiration, infiltration, ruissellement), et d'autre part à cause de la difficulté d'accéder, sur l'ensemble de la zone considérée, aux caractéristiques des sols (teneur en eau, perméabilité, mais c'est encore pire en zone karstique) et de l'air (vent à différentes altitudes, humidité, température, etc.). Il y a essentiellement 2 approches. Une approche basée sur des modèles statistiques et une approche basée sur la modélisation des phénomènes physiques entrant en jeu (modèles distribués).
Concernant les marées, il faut tenir compte des particularités locales (géométrie, courants) qui perturbent la marée théorique.
À l'embouchure d'un fleuve le lien entre niveau et débit devient encore plus compliqué. Le niveau oscille, grossièrement comme une sinusoïde avec une période de 12h30, et le débit aussi mais décalé. Selon l'amplitude de la marée, le débit peut devenir négatif (la partie aval de la rivière coule à l'envers...), et généralement la marée se fait sentir sur les niveaux loin, voire très loin, à l'amont de l'embouchure. En particulier, il n'y a pas de lien simple entre niveau et vitesse de l'écoulement dans la zone influencée par la marée. Il faut un modèle numérique résolvant les équations de Saint-Venant, calé avec des mesures de niveau, pour évaluer les vitesses. Bien entendu un tel modèle a besoin de connaître le débit à tout instant à chaque frontière entrante du domaine modélisé (pour savoir ce qui va sortir d'une baignoire, il faut connaître ce qui entre par le robinet). En général il faut plusieurs mois d'ingénieur pour mettre au point ce genre de modèle.
Dans tous ces domaines il y a des formations (initiales et continues) à l'Université et dans des écoles d'ingénieurs. Elles sont de niveau L3 et master.
# Connaître les débits dans une rivière
Posté par Jean-Baptiste Faure . En réponse au journal Monitoring du bassin versant Adour-Garonne. Évalué à 10.
Bon, je ne sais pas trop par où commencer tellement il y a à dire.
Disclaimer : j'ai fait toute ma carrière de chercheur à Lyon dans une unité de recherche qui travaille sur l'hydrologie (en gros chercher à connaître les débits dans un cours d'eau et comment la pluie se transforme en débit) et l'hydraulique (mesurer, modéliser et calculer les grandeurs caractéristiques des écoulements dans un cours d'eau). Mon job c'était le développement de codes de calcul pour l'hydraulique. Et le dernier modèle numérique sur lequel je suis intervenu était un modèle de l'Adour aval.
Pour faire direct, je dirais qu'on ne sait pas mesurer directement le débit dans une rivière. Il y a plusieurs raisons à cela. Le débit est une variable qui intègre le champ de vitesse dans une section verticale de la rivière. Ce champ de vitesse n'est pas uniforme et donc il faut avoir beaucoup de mesures locales dans un même plan vertical et au même moment. Ça c'est très difficile à faire, surtout dans les situations où les mesures de débit sont les plus intéressantes, c'est-à-dire en crue. C'est particulièrement vrai pour les grands cours d'eau. Une technique de plus en plus utilisée utilise un ADCP. C'est la technique utilisée par la Compagnie Nationale du Rhône pour mesurer les débits du Rhône. L'inconvénient c'est que ça n'est utilisable que pour la part de débit du lit mineur. En crue il est dangereux d'envoyer un bateau faire des traversées bien orthogonales à l'écoulement et en plus on ne peut pas atteindre les zones où la rivière déborde (lit majeur). Dans ces cas là, et pour des rivières par trop larges, on peut utiliser des techniques de LSPIV (Large Scale Particle Image Velocimetry) qui, à partir de vidéos qui ont enregistré le déplacement des structures de surface ou des objets flottants, reconstitue un champ de vitesse horizontal qu'on peut relier, avec pas mal d'approximation, au débit.
Quand on trouve des données de stations de mesure qui fournissent des débits en plus des hauteurs d'eau, c'est parce les métrologues ont établi une relation entre le niveau et le débit. On appelle ça une courbe de tarage (rating curve en anglais). On se base sur des mesures de débits pour les débits habituels (jusqu'aux petites crues non débordantes) et ensuite des extrapolations des pluies pour les gros débits (grandes crues). Ces courbes de tarage sont fortement non linéaires. La construction des courbes de tarage, leur validation et l'estimation de leur incertitude est un champ de recherche actif à lui tout seul.
La connaissance des écoulements repose, outre des mesures hydrométriques, bathymétriques et topographiques, sur des modélisations mathématiques plus ou moins complexes. C'est un domaine très actif depuis près de 2 siècles tant en recherche qu'en ingénierie et des milliers de chercheurs, ingénieurs et techniciens travaillent sur ces sujets partout dans le monde.
Les modèles mathématiques sont basés sur les équations d'Adhémar Barré de Saint-Venant présentées dans un Compte-rendu de l'Académie des Sciences en 1871. Les anglo-saxons les appellent Shallow Water Equations. Ce sont des équations aux dérivées partielles instationnaires hyperboliques non linéaires à 1 ou 2 dimensions d'espace (plus le temps), donc qui ont tout ce qu'il faut pour être difficiles à résoudre. En particulier ce sont des modèles qui peuvent faire apparaître des discontinuités à partir de données continues : ressaut hydraulique, onde de rupture de barrage, mascaret, tsunami.
En ce qui concerne la production du débit à partir de la pluie c'est un des champs de recherche des hydrologues. Là aussi c'est très compliqué, à cause d'une part de la multiplicité et de la complexités des phénomènes physiques qui interviennent (évapotranspiration, infiltration, ruissellement), et d'autre part à cause de la difficulté d'accéder, sur l'ensemble de la zone considérée, aux caractéristiques des sols (teneur en eau, perméabilité, mais c'est encore pire en zone karstique) et de l'air (vent à différentes altitudes, humidité, température, etc.). Il y a essentiellement 2 approches. Une approche basée sur des modèles statistiques et une approche basée sur la modélisation des phénomènes physiques entrant en jeu (modèles distribués).
Concernant les marées, il faut tenir compte des particularités locales (géométrie, courants) qui perturbent la marée théorique.
À l'embouchure d'un fleuve le lien entre niveau et débit devient encore plus compliqué. Le niveau oscille, grossièrement comme une sinusoïde avec une période de 12h30, et le débit aussi mais décalé. Selon l'amplitude de la marée, le débit peut devenir négatif (la partie aval de la rivière coule à l'envers...), et généralement la marée se fait sentir sur les niveaux loin, voire très loin, à l'amont de l'embouchure. En particulier, il n'y a pas de lien simple entre niveau et vitesse de l'écoulement dans la zone influencée par la marée. Il faut un modèle numérique résolvant les équations de Saint-Venant, calé avec des mesures de niveau, pour évaluer les vitesses. Bien entendu un tel modèle a besoin de connaître le débit à tout instant à chaque frontière entrante du domaine modélisé (pour savoir ce qui va sortir d'une baignoire, il faut connaître ce qui entre par le robinet). En général il faut plusieurs mois d'ingénieur pour mettre au point ce genre de modèle.
Dans tous ces domaines il y a des formations (initiales et continues) à l'Université et dans des écoles d'ingénieurs. Elles sont de niveau L3 et master.