Méthode de suivi des débits en rivière de montagne à partir d’instruments sans contact

5 à 6 mois à partir de février 2023

Contexte et objectifs du stage :

Le débit est une variable fondamentale des rivières qui affecte les bassins versants, les écosystèmes et aussi les processus hydrologiques et biogéochimiques. Sa mesure est cruciale pour de nombreuses activités humaines. Cependant, le suivi à haute résolution temporelle du débit n’est pas aisé, surtout dans les rivières montagneuses ou alluviales. Historiquement, dans les stations hydrométriques conventionnelles les séries temporelles de débit sont calculées à partir du niveau d’eau par l’intermédiaire des courbes de tarage H-Q, lesquelles sont établies par périodes où le lit de la rivière demeure stable, sur la base de jaugeages complétés éventuellement par de la modélisation hydraulique. Cette méthode très éprouvée s’avère très précise dans le cas des cours d’eau qui disposent d’un seuil artificiel ou subissent peu de détarages, c’est-à-dire peu de changements topographiques. Cependant, cette méthode connaît des limites : (i) elle est très chère à maintenir dans la durée car elle nécessite beaucoup de ressources humaines et expose les individus à des risques importants en cas de jaugeages pendant les crues, (ii) il est difficile de démultiplier le nombre de stations hydrométriques de ce type alors que les demandes scientifiques et sociétales sont de plus en plus nombreuses, (iii) cette méthode ne peut pas s’appliquer dans les rivières qui subissent de fréquents détarages.

Pour dépasser ces limites, nous réfléchissons à de nouvelles méthodes de suivi des débits dans les cours d’eau de montagne, plus direct et avec un besoin minimal de jaugeages. Ces méthodes s’appuient sur des instruments sans contact : radars fixes H-V pour le suivi du niveau d’eau et de la vitesse de surface, éventuellement imagerie dans le visible via une caméra numérique. Tous les instruments sont pilotés par une même station d’acquisition (Nord et al., 2020). Les radars H-V mesurent typiquement toutes les 10 minutes. Des séquences vidéo de 10 s sont enregistrées par la caméra toutes les 30 min pendant les crues. L’analyse LSPIV (Large Scale Particle Image Velocimetry) est effectuée pour des séquences vidéo sélectionnées afin de déduire le champ de vitesse de surface, la mesure du débit et la vitesse moyenne débitante.

Nous construisons une relation entre la vitesse locale du radar fixe et la vitesse moyenne débitante. Cette relation peut être calibrée à partir des jaugeages “automatiques” issus des analyses LSPIV lorsqu’une camera est disponible. Alternativement le recours à un modèle théorique de distribution des vitesses dans la section (méthode des isovels) nous permet de prévoir cette relation. La relation entre niveau d’eau et section mouillée (ou section débitante) est établie sur la base de campagnes bathymétriques de terrain. Les series temporelles de débit sont obtenues en faisant le produit de la vitesse débitante (issue de la vitesse radar) par la section mouillée. Cette approche a été développée progressivement au cours de précédents stages de master (Tafasca, 2017 ; Hasanyar, 2019 ; Safdar, 2021). Il est maintenant nécessaire d’appliquer cette méthode dans son intégralité dans des environnements différents afin de calculer les incertitudes associées et déterminer les limites d’applicabilité. Plusieurs stations vélocimétriques gérées par l’IGE dans les Alpes et la région Cévenne-Vivarais serviront de base à ce travail.

En parallèle, nous travaillons actuellement sur le développement d’une nouvelle génération de capteurs intelligents dans le cadre du projet TERRA FORMA. Concernant le suivi des débits en rivière, notre travail vise à développer une station hydrométrique “low cost”, communicante et facile à deployer, qui intègre des mesures du niveau et de la vitesse de surface de l’eau par systèmes radar. Nous avons d’ores et déjà sélectionné et acquis une gamme de capteurs radars commerciaux et industriels. Une partie du travail de stage sera consacrée à intercomparer ces capteurs en canal de laboratoire et dans le milieu naturel. Pour les capteurs industriels, des tests avec micro-contrôleurs seront peut-être effectués en lien avec le service technique de l’IGE qui travaille sur la partie “électronique d’acquisition” de cette station hydrométrique “low cost”.

Références :

Hasanyar Masihullah : Estimation of flow discharge by non-contact measurements. Master 2, Hydraulics and Civil Engineering, G-INP, 2019.
Nord, G., Michielin, Y., Biron, R., Esteves, M., Freche, G., Geay, T., Hauet, A., Legoût, C., and Mercier, B. : An autonomous low-power instrument platform for monitoring water and solid discharges in mesoscale rivers, Geosci. Instrum. Method. Data Syst., 9, 41–67, https://doi.org/10.5194/gi-9-41-2020, 2020.
Safdar Suffiyan : Erosion and sediment transfer in a mesoscale catchment. Master 2, Urban - Atmosphere, Water and Environment, Ecole Centrale de Nantes, 2021.
Tafasca Salma : Use of velocity measurement to improve flow discharge estimation in a mountain stream. Master 2, Hydraulics and Civil Engineering, G-INP, 2017.