Utilisation de la mesure de vitesse pour améliorer l’estimation des débits dans un cours d’eau à forte pente avec transport solide

Laboratoire de rattachement : LTHE

Encadrant : Guillaume NORD, guillaume.nord univ-grenoble-alpes.fr
Jérôme LE COZ, jerome.lecoz irstea.fr

Téléphone : 04 76 63 55 39

Mots clés : hydrométrie, vitesse, débit, transport solide, sédiments

Contexte et objectifs de la mission de stage :
Les mesures de vitesse se démocratisent pour équiper les stations hydrométriques. Différentes techniques peuvent être utilisées comme les radars de surface, profileurs acoustiques, systèmes à temps de transit ultrasonique, caméras pour la LSPIV (Large Scale Particle Image Velocimetry). La mesure des vitesses en continu présente différents intérêts tels que la meilleure estimation des hauts débits, particulièrement difficiles à jauger dans les rivières très réactives des petits bassins versants méditerranéens, la possibilité de diagnostiquer les détarages éventuels de la relation hauteur-débit et une information supplémentaire pour caler ou évaluer les modèles hydrauliques. Dans le cadre du projet HyMeX (Hydrological Cycle in the Mediterranean Experiment, Drobinski et al., 2014), programme multidisciplinaire de 10 ans sur le cycle de l’eau en Méditerranée, du projet ANR Floodscale dédié à la compréhension et modélisation des processus hydrologiques conduisant aux crues éclairs (Braud et al., 2014) et de l’Observatoire Hydrométéorologique Méditerranéen Cévennes-Vivarais (http://www.ohmcv.fr/), une station hydrosédimentaire a été installée en 2011 sur la rivière Claduègne en Ardèche avec un suivi au pas de temps fin de plusieurs variables. Des alertes en crue ont été effectuées entre 2012 et 2014 permettant de jauger par différentes techniques une gamme étendue de débits, y compris le débit de pointe d’une crue décennale ayant eu lieu le 04/11/2014. Des relevés bathymétriques de la section ont été effectués régulièrement et des séquences de film ont été prises lors des jaugeages en crue. Par ailleurs un profileur acoustique vertical fixé au fond a été exploité durant une période cumulée de 14 mois. Un jeu de données assez rare a ainsi été constitué combinant des mesures de vitesse de surface (gamme 0-6 m/s), de profils verticaux de vitesse dans la lame d’eau et de concentration en sédiments en suspension (gamme 0-20 g/l) dans un cours d’eau à régime torrentiel et à lit mobile. Les points à aborder dans le cadre du stage sont à choisir parmi les suivants :

• Application de la méthode " Index Velocity" (Levesque et al., 2012) aux données de la station Claduègne pour la période 2011-2015 et prise en compte des détarages (modifications de la relation hauteur-débit) ? Peut-on minimiser les jaugeages à réaliser lorsqu’un détarage a été diagnostiqué ?
• Apport d’une mesure locale et continue de la vitesse de surface pour l’estimation directe des débits. Indépendamment de la méthode « Index Velocity », quelle est l’erreur commise si on estime le débit directement à partir d’une information minimale basée sur la vitesse de surface locale et la section mouillée ?
• Analyse de la relation hauteur-débit de la station de la Claduègne par la méthode BaRatin (Le Coz et al., 2014) et production de séries temporelles de débit avec incertitudes pour la période 2011-2015
• Exploitation des séquences de film réalisées pendant les crues pour le calcul de champ de vitesse de surface et le calcul du débit par la méthode LSPIV (Le Coz et al., 2010), avec le logiciel Fudaa-LSPIV
• Estimation du coefficient reliant la vitesse de surface (mesurée par radar fixe) et la vitesse moyenne dans la colonne d’eau déduite du profileur acoustique
• Effet des sédiments (fins ou grossiers) sur la mesure de vitesse par profileur acoustique. Quelles sont les limites d’applicabilité de cet instrument lors des phases de transport solide (Nord et al., 2014) ? Quelles sont les sources de problèmes identifiées (concentration en sédiments fins, taille des particules solides, charriage…)
• Calcul de la contrainte de cisaillement limite pour la mise en mouvement des particules par charriage.

Références :
Braud, I., Ayral, P.-A., Bouvier, C., Branger, F., Delrieu, G., Le Coz, J., Nord, G., Vandervaere, J.-P., Anquetin, S., Adamovic, M., Andrieu, J., Batiot, C., Boudevillain, B., Brunet, P., Carreau, J., Confoland, A., Didon-Lescot, J.-F., Domergue, J.-M., Douvinet, J., Dramais, G., Freydier, R., Gérard, S., Huza, J., Leblois, E., Le Bourgeois, O., Le Boursicaud, R., Marchand, P., Martin, P., Nottale, L., Patris, N., Renard, B., Seidel, J.-L., Taupin, J.-D., Vannier, O., Vincendon, B. and Wijbrans, A. : Multi-scale hydrometeorological observation and modelling for flash flood understanding, Hydrol. Earth Syst. Sci., 18, 3733-3761, doi : 10.5194/hess-18-3733-2014, 2014.
Drobinski,P. , Ducrocq, V., Alpert, P., Anagnostou, E., Béranger, K., Borga, M., Braud, I., Chanzy, A., Davolio, S., Delrieu, G., Estournel, C., Filali Boubrahmi, N., Font, J., Grubisic, V., Gualdi, S., Homar, V., Ivancan-Picek, B., Kottmeier, C., Kotroni, V., Lagouvardos, K., Lionello, P., Llasat, M.C., Ludwig, W., Lutoff, C., Mariotti, A., Richard, E, Romero, R., Rotunno, R., Roussot, O., Ruin, I., Somot, S., Taupier-Letage, I., Tintore, J., Uijlenhoet, R., Wernli, H. : HyMeX, a 10-year multidisciplinary program on the Mediterranean water cycle, Bull. Amer. Meteor. Soc., 95, 1063-1082, doi : 10.1175/BAMS-D-12-00242.1, 2014.
Le Coz, J., Hauet, A., Pierrefeu, G., Dramais, G. and Camenen, B. : Performance of image-based velocimetry (LSPIV) applied to flash-flood discharge measurements in Mediterranean rivers, J. Hydrol., 394 (1–2), 42–52, 2010.
Le Coz, J., Renard, B., Bonnifait, L., Branger, F. and Le Boursicaud, R. : Combining hydraulic knowledge and uncertain gaugings in the estimation of hydrometric rating curves : A Bayesian approach, J. Hydrol., 509, 573-587, doi : 10.1016/j.jhydrol.2013.11.016, 2014.
Levesque, V.A., Oberg, K.A. (2012) Computing Discharge Using the index velocity method, USGS, Virginia.
Nord, G., Gallart, F., Gratiot, N., Soler, M., Reid, I., Vachtman, D., Latron, J., Martín Vide, J.P. Laronne, J.B., 2014. Applicability of acoustic Doppler devices for flow velocity measurements and discharge estimation in flows with sediment transport. Journal of Hydrology, 509, 504-518.

Prérequis : c’est un plus si l’étudiant a suivi des cours en hydraulique à surface libre, transport solide, hydrométrie