Peut-on calculer le débit d’un cours d’eau à partir d’une mesure ponctuelle de vitesse de surface ? Analyse d’un grand jeu de données hydrométrique et comparaison à des modèles de prédiction.

Can one calculate a river’s discharge from a single surface velocity measurement ? Analysis of an extensive hydrometric dataset and a comparison with prediction models.

La connaissance du débit des rivières revêt une importance fondamentale en hydrologie et dans le domaine de la gestion des ressources en eau. C’est une variable élémentaire pour les industriels (e.g. production hydro-électrique), les gestionnaires de bassin (e.g. préservation des écosystèmes aquatiques) et les scientifiques (e.g. étude de processus, quantification des flux d’eau, de sédiments et de contaminants). L’observation continue du débit des rivières sert de précieux indicateur pour évaluer les impacts du changement climatique et des activités humaines sur les régimes hydrologiques, renforçant ainsi la prise de décisions éclairées en matière de gestion de l’eau. Mais obtenir des séries continues de débit est un processus difficile, coûteux et indirect : depuis des décennies l’approche utilisée communément consiste à mesurer la hauteur d’eau, qui est ensuite convertie en débit grâce à une relation hauteur-débit, relation elle-même bâtie grâce à des jaugeages (des mesures ponctuelles de débit, réalisées par des équipes d’hydromètre). De plus, les relations hauteur-débit peuvent évoluer dans le temps, en raison de modification de la géométrie des cours d’eau (érosion, dépôt…), ce qui nécessite toujours la réalisation de nouveaux jaugeages. Les radars Doppler sont des capteurs non-intrusifs (sans contact avec la rivière, donc protégés lors des crues), permettant de mesurer de façon relativement simple et robuste la vitesse de surface d’un cours d’eau en un point (Welber et al., 2016 ; Fulton et al., 2020). Dans ce stage, on cherche à savoir si le débit du cours d’eau peut être calculé à partir ce cette mesure ponctuelle de vitesse de surface et de la section mouillée obtenue via la hauteur d’eau et la bathymétrie (Eze, 2023). Grâce à une base de données de plusieurs milliers de jaugeages, réalisés sur des sites différents et pour une large gamme de débits, une analyse statistique sera réalisée afin de comprendre le comportement de la vitesse maximale de surface (son emplacement dans la section, son amplitude, sa variabilité) en fonction des conditions hydrauliques. On cherchera ensuite à établir le lien entre cette vitesse maximale de surface et la vitesse débitante (la vitesse moyenne de la section en travers) et à répondre aux questions suivantes : (i) ce lien est-il invariant pour un site donné quel que soit le débit ? ; (ii) ce lien est-il propre à chaque site ou peut-il être relié à des caractéristiques morphologiques (pente, rugosité…) ou hydrauliques (vitesses, nombre de Reynolds ou de Froude…) ?. Enfin, les observations seront utilisées pour qualifier la pertinence de différents modèles de prédiction de la localisation de la vitesse maximale et de son lien avec la vitesse débitante, comme la méthode de maximisation de l’entropie (Chiu (1988)) et la méthode IsoVel (Maghrebi, 2006).
Ce stage demande donc une appétence pour le traitement de données, l’analyse statistique, tout en sachant lier les analyses à la physique et l’hydraulique. Des notions en hydraulique fluviale sont souhaitées, ainsi que des bases en métrologie et instrumentation en hydrologie. On recherche un niveau Bac+5.
Le stage se déroulera au laboratoire IGE de l’Université Grenoble Alpes (https://www.ige-grenoble.fr/), dans l’équipe HyDRIMZ-STRIM, sur le campus universitaire de Saint Martin d’Hères, et sera encadré par Alexandre Hauet (alexandre.hauet univ-grenoble-alpes.fr) et Guillaume Nord (guillaume.nord univ-grenoble-alpes.fr).

Références :
Welber, M., Le Coz, J., Laronne, J. B., Zolezzi, G., Zamler, D., Dramais, G., Hauet, A., and Salvaro, M. : Field assessment of noncontact stream gauging using portable surface velocity radars (SVR), Water Resour. Res., 52, 1108–1126, https://doi.org/10.1002/2015WR017906, 2016.
Fulton, J.W. ; Mason, C.A. ; Eggleston, J.R. ; Nicotra, M.J. ; Chiu, C.-L. ; Henneberg, M.F. ; Best, H.R. ; Cederberg, J.R. ; Holnbeck, S.R. ; Lotspeich, R.R. ; et al. Near-Field Remote Sensing of Surface Velocity and River Discharge Using Radars and the Probability Concept at 10 U.S. Geological Survey Streamgages. Remote Sens. 2020, 12, 1296. https://doi.org/10.3390/rs12081296
Eze, K.O. (2023). Methods for monitoring flows in mountain rivers using non-contact instruments. 69 p., Master Hydraulics and Civil Engineering, G-INP, UGA.
Chiu C-L. 1988. Entropy and 2-D velocity distribution in open channels. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE 114(7) : 738–756.
Maghrebi, M. F., 2006. Application of the single point measurement in discharge estimation. Advances in Water Resources 29 (2006) 1504–1514, 29(10), p. 1504–1514.