L. Bouchaou

__________________________________________________________________________________________

1

Université Ibn Zohr

Faculté des Sciences

Département de géologie

Laboratoire de géologie Appliquée et Géo-

Environnement (LAGAGE)

___________________________________

Cours d’Hydrologie de surface

STU

Prof. L. Boucahou

L. Bouchaou

__________________________________________________________________________________________

2

CHAPITRE I : GENERALITES

I - CONCEPTION DE L'HYDROGEOLOGIE L'hydrogéologie, science de l'eau souterraine est une discipline des sciences de la terre orientée vers les applications. Ses objectifs sont :

L'acquisition des données numériques par la prospection ou l'expérimentation sur le terrain ;

L'étude du rôle des matériaux constituant le sous sol (distribution et caractéristiques) ; L'étude des modalités de l'écoulement ; L'étude des propriétés physiques et chimiques des eaux souterraines ; La réalisation des captages d'exploitation ; La gestion et la planification de l'exploitation de l'eau ; La protection de la ressource en eau souterraine. Pour ceci l'Hydrogéologie qui est une science pluridisciplinaire, utilise les méthodes et moyens de la prospection géophysique, les techniques de forage et de captage, la géochimie des roches et des eaux, l'hydrodynamique souterraine, la statistique et l’informatique pour le traitement des données et pour les modèles mathématiques de simulation des nappes. On distingue deux disciplines majeures :

Hydrologie de surface ; Hydrologie souterraine

D'une façon très générale, l'hydrologie peut se définir comme l'étude du cycle de l'eau et l'estimation de ses différents flux. L'hydrologie au sens large regroupe : la climatologie, pour la partie aérienne du cycle de l'eau (précipitations, retour à

l'atmosphère, transferts, etc.) ; l'hydrologie de surface au sens strict, pour les écoulements à la surface des continents ; l'hydrodynamique des milieux non saturés pour les échanges entre les eaux de surface

et les eaux souterraines (infiltration, retour à l'atmosphère à partir des nappes, etc.) ; l'hydrodynamique souterraine (sensu stricto) pour les écoulements en milieux saturés. L'hydrologie de surface est la science qui traite essentiellement des problèmes

qualitatifs et quantitatifs des écoulements à la surface des continents. Ces problèmes se ramènent généralement à des prévisions (associer à une date une certaine grandeur) ou des prédéterminations (associer à une grandeur une certaine probabilité) de débits ou de volume en un point ou sur une surface.

Les domaines d'application de l'hydrologie de surface sont également très variés. Parmi les plus importants et les plus classiques, on notera :

l'agriculture : irrigation, drainage ; l'étude des ressources en eaux : eau potable, eau pour l'industrie ; la lutte contre la pollution : étude des débits d'étiage évacuant les effluents, les

calories ;

l'énergie hydraulique ; le transport solide (dépôt ou érosion) ; la navigation ; les loisirs (plans d'eau) ; la sécurité des biens et des personnes : protection contre les crues…

L. Bouchaou

__________________________________________________________________________________________

3

L'hydrologie de surface est une science essentiellement appliquée. La recherche et le développement de cette branche ont toujours été liés à l'existence de problèmes concrets. Ceux-ci ont évolué au cours des temps : crues, étiages. Aux Besoins quantitatifs s'ajoutent à présent des problèmes de qualité. Parallèlement à l'évolution des besoins, les progrès des techniques ont transformé nos méthodes de travail.

II - CYCLE GLOBAL DE L'EAU Le déplacement des particules d'eau sous deux états principaux (vapeur et liquide), à la surface de la terre constitue le cycle global de l'eau. Ce cycle peut être résumé par l'équation suivante :

P (précipitation) = E (évaporation) + R (ruissellement) + I (infiltration)

Le cycle de l’eau débute par la transformation annuelle d'un volume d'eau (577 000 km3) en vapeur d'eau sous l'action de l'évapotranspiration (ET). Ce dernier terme regroupe deux phénomènes : le premier physique (évaporation E), a lieu à partir des surfaces d'eau libres (océans, mers, lacs, fleuves…) et le deuxième biologique correspondant à la transpiration des plantes. Dans un deuxième temps, cette vapeur d'eau se condense (transformation de la vapeur en liquide) sous forme de nuages qui donnent naissance aux précipitations (P) : pluie et neige. Le volume annuel des précipitations est égal à celui de l'évapotranspiration : le cycle global de l'eau est donc équilibré. Dans un troisième temps, les précipitations se séparent en trois parties :

une première partie s'évapore avant même d'atteindre la surface du sol et réintègre le cycle de l'eau ;

une deuxième partie s'écoule vers le réseau hydrographique et les surfaces d'eau libre : c'est le ruissellement de surface (R). Ce volume est estimé à 43 800 km3 d'eau/an ;

Schéma du cycle de l'eau

L. Bouchaou

__________________________________________________________________________________________

4

une dernière partie s'infiltre dans le sous sol : c'est l'infiltration (I). La quantité d'eau qui atteint les nappes s'appelle : l'infiltration efficace.

Les précipitations (pluie et neige) arrivant à la surface de la terre, constituent la quasi totalité des apports d'eau au sol. Quand une pluie arrive au sol, trois processus prennent naissance :

- L'humidification du sol et l'infiltration; - Le ruissellent de surface; - L'évaporation.

a) Humidification et infiltration Dans la quasi totalité des pays où il pleut, le sous sol renferme en temps normal de l'eau. Un profil habituel de la quantité d'eau contenue en fonction de la cote se présente comme suit :

Cote Z

O Surface du sol

Zone non

saturée

N Surface de la nappe Zone

saturée

Teneur en eau Cette teneur en eau est bien sûr, fonction de la porosité et de la perméabilité du sol. En dessous d'une certaine cote N, la teneur en eau n'augmente plus avec la profondeur. Le sol est dit saturé; tous les vides (les pores) du sol contiennent de l'eau. Cette eau est dite appartenir à la nappe phréatique. En revanche, au dessus de la cote N, le sol est dit non saturé, les vides du sol contiennent simultanément de l'eau et de l'air. Dans la zone saturée, l'eau est soumise essentiellement aux forces de gravité, alors que dans la zone non saturée se rajoutent les forces de capillarité, qui deviennent très vite prépondérantes. Lorsque l'eau tombe à la surface du sol, elle commence par humidifier la fraction supérieure du sol. Cette augmentation d'humidité en surface n'entraîne pas nécessairement une infiltration immédiate en profondeur, car tant que les forces de capillarité sont supérieures aux forces de gravité, l'eau est retenue, comme dans une éponge :

Cote Z

O Surface du sol

Zone non saturée

N Surface de la nappe Zone

saturée

Teneur en eau

L. Bouchaou

__________________________________________________________________________________________

5

Quand la teneur en eau dépasse une certaine limite, appelée capacité de rétention spécifique, l'eau se propage vers le bas et humidifie une zone plus profonde du sol. Si la pluie se poursuit suffisamment longtemps, l'humidification sera de plus en plus importante, et entraînera une infiltration. Mais ce phénomène est très lent : suivant la profondeur de la nappe sous le sol et la perméabilité de celui-ci, l'arrivée d'eau à la nappe peut se produire dans la semaine qui suit la pluie, dans le mois, ou même dans les six mois.

b) Ruissellement de surface

Si l'intensité de la pluie est forte, le sol ne peut absorber l'apport d'eau et un excès apparaît en surface. La pellicule d'eau de surface peut alors circuler sur le sol, c'est ce qu'on appelle le ruissellement. Ce ruissellement s’effectue suivant la ligne de plus grande pente du sol et vient alimenter le réseau de drainage naturel : fossés, ruisseaux, rivières… Il entraîne des particules solides par érosion, ce qui génère le transport solide des rivières.

c) Evaporation

Même pendant la pluie, une partie non négligeable de l'eau arrivée au sol est immédiatement réévaporée. Une fois la pluie arrêtée, cette évaporation continue et assèche peu à peu l'eau qui se trouve interceptée par la végétation, ou qui reste en surface.

Un autre phénomène qui joue dans le même sens que l'évaporation sur le sol : c'est la transpiration des végétaux. Les racines des plantes sont capables de reprendre l'eau du sol dans la zone non saturée, ou parfois dans la zone saturée si elle est affleurante.

III - L'EAU DANS LE MONDE

Le stock d'eau sur la terre est réparti inégalement en six grands réservoirs qui totalisent un volume d'environ 13.9 108 milliards de m3. L'eau douce ne représente que 2.9 % de ce volume, soit 0.4 108 milliards de m3 d'eau. Ces six réservoirs sont : - Océan : constitue le moteur principal du cycle de l'eau. Il joue un rôle très important dans la circulation et l’évaporation de l'eau, et dans l'homogénéisation de la température du globe. Il constitue le réservoir principal, réparti sur une superficie d'environ 361 millions de km2.

- Glaces : localisées au niveau du réservoir des calottes glaciaires et des neiges éternelles (régions polaires : Mer Arctique au Nord et Mer Antarctique au Sud).

L. Bouchaou

__________________________________________________________________________________________

6

- Eaux souterraines : la capacité du réservoir souterrain est estimée à 24 106 milliards de m 3 d'eau entre les profondeurs 0 et 2000 m. - Eaux de surface : elle est représentée par les lacs et les cours d'eau superficiels. - Eau atmosphérique : contenue dans l'enveloppe gazeuse qui entoure le globe terrestre. - Eau biologique : c'est l'eau contenue dans les êtres vivants animaux et végétaux.

Réservoir % du volume total de l’eau

de l’hydrosphère

% du volume total de l’eau

douce du globe

Océan 96.4 0

Glaces 1.72 60

Eaux souterraines 1.72 38.78

Eaux de surface 0.013 0.22

Eau atmosphérique 0.001 0

Eau biologique 0.0001 0

IV - LE POTENTIEL D'EAU AU MAROC Le volume moyen annuel des précipitations au Maroc est de l'ordre de 150 milliards de m3. Ces apports sont irréguliers d'une année à l'autre (variant de 50 à 400 milliards de m3/an) et mal répartis d'une région à une autre (15 % de la superficie totale du pays reçoit 50 % des pluies). 120 milliards de m3 d'eau s'évaporent par an et 30 milliards de m3 constituent la pluie efficace (voir répartition et principaux barrages ci-après). Le potentiel d'eau annuel mobilisable dans les conditions techniques et économiques actuelles (coûts de mobilisation et d'exhaure acceptables) est estimé à 21 milliards de m3/an, dont 16 milliards provenant des eaux superficielles et 5 milliards provenant des eaux souterraines. A la fin des années 90, prés de 17.5 milliards de m3 d'eau ont été mobilisés, dont 13.8 milliards régularisés au niveau des barrages (34 barrages) et au niveau des aménagements de petite et moyenne hydraulique et 3.7 milliards mobilisés à partir des eaux souterraines (puits, forages et sources).

L. Bouchaou

__________________________________________________________________________________________

7

LE POTENTIEL D’EAU MOYEN ANNUEL AU MAROC

V - PROBLEMES LIES A LA GESTION DE L'EAU AU MAROC

Les problèmes liés à la gestion de la ressource en eau sont dus à :

Une ressource limitée ; Une croissance des besoins en relation avec un taux de natalité élevé et une

amélioration de la qualité de la vie (urbanisation, scolarisation..) ;

Une exploitation anarchique et irrationnelle de la ressource ; Une dégradation de la qualité de la ressource du fait de la surexploitation

(salinisation des eaux et des sols, avancée du biseau salé dans les zones côtières...), de la pollution domestique (rejets dans la nature des eaux usées non traitées, décharges non contrôlées...), de l’activité agricole (utilisation intensive des engrais chimiques) et de l’activité industrielle ;

Un coût de plus en plus élevé pour mobiliser et traiter la ressource en eau disponible ;

Une faible desserte (40 %) en eau potable du monde rural qui représente 50 % de la population marocaine ;

Un changement des conditions climatiques dans le sens d’une baisse des précipitations (sécheresses répétées depuis les années 70) ;

L. Bouchaou

__________________________________________________________________________________________

8

Un régime irrégulier des pluies à l’échelle inter annuel qui engendre des variations importantes du taux de la croissance économique du pays (croissance tributaire de l’activité agricole en grande partie) ;

Une disparité au niveau de la répartition des ressources d'une région à une autre, qui nécessite des transferts d'eau entre bassins ;

Détérioration de la qualité des eaux des barrages (métaux lourds, matières en suspension, non biodégradabilité de certaines substances, charge excessive en matières organiques qui réduisent la teneur en oxygène…) ;

Réduction de la longévité des barrages à cause principalement de l’envasement (érosion et charriage) et de l’eutrophisation (prolifération anarchique des végétaux ou d’algues entraînant une baisse de l’O2 dissous).

CHAP II – SYSTEMES HYDROLOGIQUES - CLIMATOLOGIE

I - LES SYSTEMES HYDROLOGIQUES

1.1 - Introduction Le cycle de l’eau est planétaire et perpétuel (continu). La réalisation des études hydrogéologiques nécessite de le fractionner en domaines limités dans l’espace et en durées accessibles aux observations et aux mesures (année, mois, jours). Ces domaines dynamiques sont appelés « systèmes hydrologiques ». Chaque système hydrologique est une séquence du cycle de l’eau, c’est à dire comportant une entrée (impulsion, exemple : l’infiltration), un circuit interne (transfert de l’eau par exemple entre l’amont et l’aval) et une sortie (réponse à l’impulsion, exemple : débit des sources).

1.2 – Différents types de systèmes hydrologiques On distingue trois types de systèmes hydrologiques indépendants et emboîtés les uns dans les autres : a) Bassin hydrologique : il est limité par les lignes de crêtes topographiques (sommets des reliefs), délimitant le bassin versant d’un cours d’eau et de ses affluents. La source unique d’alimentation du bassin hydrologique, supposé clos, provient des précipitations efficaces, c’est à dire des précipitations qui ont échappé à l’évaporation.

Schéma d’un bassin hydrologique (vue en

plan)

b) Bassin hydrogéologique : c’est la fraction de l’espace du bassin hydrologique située sous la surface du sol. C’est le domaine des eaux souterraines. Ses limites sont imposées par la structure géologique. Son alimentation se fait par l’infiltration d’une partie de la pluie efficace, ayant échappé au ruissellement de surface.

Ligne de crêtes

Ligne de plusgrande pente

Courbes deniveau

L. Bouchaou

__________________________________________________________________________________________

9

Concordance entre les limites des bassins hydrologiques et hydrogéologiques c) L’aquifère : est identifié par la nature géologique des formations qui le constituent (calcaires, grès, sables…). Il est alimenté par l’infiltration efficace, et il correspond au domaine d’étude des eaux souterraines. Un bassin hydrogéologique peut contenir plusieurs aquifères.

Distinction entre bassin versant réel et bassin versant Topographique (Roche, 1963).

1.3 – Concept de bilan d’eau

a) Bilan hydrique d’un système hydrologique

Le bilan d’eau d’un système hydrologique est la balance comptable des entrées égales au débit moyen des apports et des sorties représentées par le débit moyen des écoulements.

L. Bouchaou

__________________________________________________________________________________________

10

Le bilan se réfère à un domaine limité dans l’espace et à une durée moyenne précise (année hydrologique par exemple).

La différence de volume d’eau entre les entrées et les sorties du système hydrologique

engendre une différence de réserves d’eau (W). Cette différence peut être nulle (bilan équilibré), positive (augmentation des réserves), ou négative (diminution des réserves).

Débit des apports = Débit des écoulements + W

b) Bilan de l’aquifère

Le tableau suivant regroupe les entrées et les sorties possibles pour un aquifère :

Débits des apports Débits des écoulements

Infiltration efficace Retour des eaux d’irrigation

Apports par les bordures Alimentation par d’autres aquifères Infiltration le long des cours d’eau

Sources Ecoulement vers la mer

Ouvrages d’exploitation(pompages) Drainage des oueds superficiels Alimentation d’autres aquifères

Le bilan en régime influencé d’un aquifère s’écrit :

Ie + Qim = Qw + Qex + W

Ie = Infiltration efficace en m3/an Qim = Débits importés en m3/an Qw = Débits des écoulements souterrains en m3/an Qex = Débits exportés en m3/an

W = Variations des réserves en m3/an

II - CLIMATOLOGIE 2.1 – Les précipitations

Chaque système aquifère nécessite pour son étude du bilan, une synthèse de données climatiques, afin de le situer dans un contexte hydroclimatique et pour évaluer l'alimentation de la nappe. Pour ceci, on se base sur une ou plusieurs stations météorologiques représentatives de la zone d'étude et comportant un grand nombre d'observations (pluie, température, ensoleillement…).

a) Généralités

On englobe sous le terme de « précipitations » toutes les eaux météoriques qui tombent à la surface de la terre tant sous forme liquide que sous forme solide : neige, grêle…Ces précipitations proviennent de la condensation des vapeurs d’eau contenues dans l’atmosphère. Les divers types de précipitations sont mesurés par leur « équivalent en eau » par les pluviomètres usuels normalisés.

Dans de nombreuses études hydrologiques (prévision d’un débit de crue par exemple), il est indispensable de connaître non seulement la hauteur totale des précipitations relatives à une période donnée, mais aussi la répartition temporelle de ces dernières. On utilise à cet effet des pluviomètres enregistreurs qui donnent la courbe des hauteurs des précipitations cumulées en fonction du temps.

b) Exploitation des données pluviométriques

L. Bouchaou

__________________________________________________________________________________________

11

Le traitement statistique des données recueillies auprès de la météorologie nationale permet de qualifier à différentes échelles du temps une région donnée. Ainsi, au pas de temps mensuel, on peut distinguer les mois humides et les mois secs. Alors qu’au pas interannuel, on peut se faire une idée précise sur la régularité ou non du régime, et on peut mettre en évidence des cycles d’années humides ou secs.

Pour déterminer la lame d’eau précipitée sur un bassin trois méthodes principales sont utilisées : méthode de la moyenne arithmétique, méthode de Thiessen et méthode des isohyètes (voir TP). 2.2 - Températures

La température est un paramètre important pour caractériser une région donnée. La moyenne des températures sur plusieurs années d'observation, permet de connaître le mois le plus froid et le plus chaud, ainsi que la température moyenne annuelle de la région. L’amplitude de variation entre température minimale et maximale est également une caractéristique de chaque région. 2.3 - Evapotranspiration

C'est un paramètre important dans le cycle hydrologique, résultant d'un phénomène physique (évaporation) et d'un autre biologique (transpiration). Il est fonction du climat et de ses variations qui sont déterminés par l'humidité de l’air, la vitesse du vent, la température de l’eau et de l’air, le couvert végétal, le rayonnement solaire et la pression atmosphérique.

a) Evapotranspiration potentielle (ETP)

C'est la lame d'eau qu'un sol peut théoriquement perdre. Il tient compte uniquement du climat et ne fait pas entrer en jeu les précipitations. Elle peut être mesurée par des évaporomètres. Son estimation mensuelle est souvent faite par la formule empirique de Thornthwaite : 10 T a T 1,5

ETP (mm) = 16 --------- i = ------- I 5

a = 0.49 + 1.8 10-2 I - 771 10-7 I2 + 675 10-9 I3 T = température moyenne annuelle du mois considéré

I = Indice thermique cumulé = i

Il convient de multiplier les valeurs ainsi calculées par un terme correctif, selon le mois et la latitude. Pour la station de Rabat on a :

Jan Fév Mar Avr Mai Juin Juil Aoû Sept Oct Nov Déc Total

T (°c) 12.5 13 14.2 15.1 17.5 20 21.8 22.1 21 18.8 15.7 12.9 -

I 3.95 4.19 4.79 5.25 6.55 8 9.1 9.29 8.6 7.29 5.56 4.14 76.7

ETP 36.9 39.4 45.9 51 65.6 82.4 95.5 97.7 89.6 74.1 54.5 38.9 -

Ind cor 0.88 0.85 1.03 1.09 1.2 1.2 1.22 1.16 1.03 0.97 0.87 0.86 -

L. Bouchaou

__________________________________________________________________________________________

12

ETP cor 32 33 47 56 79 99 117 113 92 72 47 34 821

b) Evapotranspiration réelle (ETR)

C'est la lame d'eau effectivement perdue par un sol dans les conditions réelles de teneur en eau du sol. Son évaluation peut se faire à l'échelle annuelle par les formules de Turc et de Coutagne, ou à l'échelle mensuelle par le bilan hydrique de Thornthwaite : * Formule de Turc : P

ETR = L = 300 + 25 T + 0.05 T3

(0.9 + P2/L2)1/2

P = pluie annuelle en mm. T = température moyenne annuelle en °c.

Pour Rabat : L = 974, P = 563 mm, T= 17 °c, ETR = 507 mm, soit 90 % de P.

* Formule de Coutagne : ETR = P - P2

1 = applicable si 1/8 < P < 1/ 2

0.8 + 0.14 T

P = pluie annuelle en m. T = température moyenne annuelle en °c.

Pour Rabat : 0.4 < P < 1.61 m, ETR = 464 mm, soit 82 % de P. * Bilan hydrique de Thornthwaite :

Le sol va évaporer en fonction de son degré de saturation. L’infiltration efficace (recharge de l’aquifère) se produit quand l’ETR et la saturation du sol sont satisfaites. On fixe arbitrairement une RFU (réserve facilement utilisable) de 100 mm. Ce bilan hydrique est plus fiable que les méthodes précédentes, puisqu'on travaille à l'échelle mensuelle qui permet de tenir compte de certaines influences, qui peuvent être masquées à l'échelle annuelle.

L’exemple de la station de Rabat montre que la nappe à une période de recharge de six mois, allant du mois de Décembre au mois de Mai. L'ETR = 429 mm, soit 76 % de P.

Jan Fév Mar Avr Mai Juin Juil Aoû Sept Oct Nov Déc Total

Pluie mm 88 70 65 65 21 7 0 1 7 44 80 115 563

ETP mm 32 33 47 56 79 99 117 113 92 72 47 34 821

P - ETP 56 37 18 9 -58 -92 -117 -112 -85 -28 33 81 -

Saturat 100 100 100 100 42 0 0 0 0 0 33 100 -

ETR mm 32 33 47 56 79 49 0 1 7 44 47 34 429

P – ETR 56 37 18 9 0 0 0 0 0 0 0 14 134

Recharge 35 46.5 27.5 13.5 4.5 0 0 0 0 0 0 7 134

2.8 – Infiltration efficace Si on considère que le ruissellement est négligeable, l'infiltration des eaux est obtenue par :

I = P - ETR.

L. Bouchaou

__________________________________________________________________________________________

13

CHAPITRE III - HYDROMETRIE

I - INTRODUCTION

C'est la mesure des débits au niveau des cours d'eau. Cette mesure est intéressante, car elle permet de montrer la relation entre les écoulements de surface et les écoulements souterrains. Elle permet aussi des fois de mettre en évidence des pertes ou des apports entre deux points de mesure. On mesure également les débits des sources qui sont variables.

Le débit des rivières est souvent donné en m3/s ou en l/s, alors qu'en hydraulique souterraine le débit est donné en l/s ou en m3/h ou en m3/j. Les différentes méthodes de mesure du débit sont :

Jaugeage à la capacité : Il s'agit de remplir en un temps donné un récipient (capacité) de volume V connu. Le débit Q = V/t. C'est une méthode précise et peu onéreuse. Cette méthode est limitée aux faibles débits, tel celui des sources aménagées et à la mesure des débits de pompage.

Déversoir normalisé : Il concerne les écoulements de surface. La mesure se fait grâce à un dispositif étalonné au laboratoire. Selon la hauteur d'eau, on déduit le débit Q = f(h)

Intégration des vitesses ponctuelles : On mesure avec un moulinet hydrométrique des vitesses en différents points d'une section connue de l'écoulement. L'intégration des vitesses sur la section donne le débit. Pour appliquer cette méthode, l'écoulement doit être laminaire.

Dilution chimique : On déverse une certaine quantité de sel dans la rivière, dont on relève la dilution à l'aval. Elle est d'autant plus faible que le débit est élevé. Cette méthode nécessite un écoulement turbulent.

II - DILUTION CHIMIQUE

2.1 - Injection par bouffées

A l'amont on injecte un volume V d'une solution de concentration C1. A l'aval on regarde passer un nuage durant le temps t que l'on mesure. On suppose pendant ce temps une vitesse constante et aucune fixation ni destruction des sels de la solution.

Pendant le temps t, il passe un volume Qt qui a une concentration Cm. Donc V.C est le poids injecté de sel qui est égal au poids passant à l'aval. Donc P = V . C1 = t . Q . Cm. Or t . Q = V d'où : Q = V/t x C1/Cm. On prend en compte le rapport des concentrations C1/Cm, soit la dilution.

2.2 - Injection à débit continu

L. Bouchaou

__________________________________________________________________________________________

14

On injecte une solution saline à un débit q de concentration C1. Après un mélange correct et comme on a la conservation du produit, on a tout le temps le même poids du produit qui passe par unité de temps, mais avec une concentration C2. On a donc :

q C1 = (Q + q) C2 d'où Q + q = q C1/C2

On a le débit seulement grâce à la dilution et avec le débit d'injection. Bien sûr, on suppose Q, C2 constantes sur toute la section de mesure.

q à C1

(Q + q) à C2

Section

d'injecti on

Section de

prélèvement

L

l

III - DEVERSOIRS NORMALISES Le déversoir est une paroi placée à travers un canal découvert qui provoque une surélévation de la surface libre et un déversement par dessus. Le principe est une relation fonctionnelle entre le débit et la hauteur de surélévation. On a deux types de déversoirs : à seuil mince, où l'épaisseur de la crête est négligeable par rapport à la hauteur de pelle et à seuil épais où c'est le contraire. 3.1 - Déversoir rectangulaire :

Deux constructions sont possibles : avec ou sans contraction latérale. Il suffit de faire une mesure de la charge sur la crête pour avoir le débit. On peut aussi utiliser les abaques d'étalonnage qui sont données en fonction de la hauteur de pelle.

3.2 - Déversoir triangulaire :

Ce déversoir est à minces parois et à contraction latérale, où la crête n'est pas horizontale mais dessine un V ouvert vers le haut. Il se caractérise par la longueur déversante l, la contraction latérale a, l'angle du V et la charge h. Les abaques sont faits pour les angles 90°, 60°, 45° et 30°. Sur ce déversoir, on peut contrôler même les petits débits, contrairement à celui de Bazin.

VI - JAUGEAGE AU MOULINET

L. Bouchaou

__________________________________________________________________________________________

15

La vitesse de l’eau dans une rivière n’est pas uniforme à travers sa section. Elle est plus forte vers le milieu et près de la surface et plus faible au fond et sur les bords. D’où la nécessité d’explorer le champ de vitesse à travers toute la section du cours d’eau.

4.1 - Principe La technique consiste à mesurer la vitesse de l'écoulement en différents points d'une section de la rivière, perpendiculairement à l'écoulement, de manière à obtenir une vitesse moyenne. La mesure de la vitesse ponctuelle se fait à l'aide d'un instrument munis d'une hélice. Le principe réside dans la relation entre la vitesse de l'écoulement sur l'hélice et la vitesse de rotation de l'hélice. Le débit Q = S . Vm (S = section perpendiculaire à l'écoulement et Vm = vitesse moyenne)

4.2 - Matériel

La vitesse de l'eau qui passe par l'hélice est en relation avec la rotation. V = a . n + b

V = vitesse de l'écoulement en m/s a = pas de l'hélice (m) n = nombre de tours/s b = vitesse de frottement (m/s)

Il y a des hélices à petits et à grands pas (écoulement rapide). La vitesse de frottement est la vitesse pour laquelle l'hélice commence à démarrer.

4.3 - Montage dans la section de mesure

a) Moulinet sur perche : on l'utilise sur le terrain (léger). Il faut que le courant ne soit pas trop rapide et que ça ne soit pas trop profond (voir figure). b) Moulinet suspendu sur saumon : cas où la vitesse est importante. La masse permet au saumon de rester horizontal.

L. Bouchaou

__________________________________________________________________________________________

16

4.4 - Procédé de mesure a) Principe On va explorer le champ de vitesse à travers la section choisie. Les points de mesure sont repérés en abscisse et ordonnée (longueur par rapport à la rive, profondeur…). Il faut que l'écoulement fluviatile soit tranquille, sans turbulence et que le débit soit constant entre la première et la dernière mesure.

Sur chaque verticale on va faire des mesures avec la profondeur. La première mesure se fait en surface au rayon de l'hélice, ensuite on fera des mesures en descendant. La dernière mesure se fait au rayon plus une marge de sécurité. Sur la feuille de jaugeage il faut marquer :

le nom de la rivière la station et la date le type de jaugeage utilisé le numéro de l'hélice la hauteur d'eau à l'échelle l'heure du début et de la fin de la manipulation le schéma de l'installation de la section

b) Dépouillement : calcul du débit

- Méthode des paraboles : Pour chaque verticale on a un certain nombre de points (V = a.n + b). Le débit est obtenu par intégration graphique. On va procéder comme suit :

1 - Pour chaque verticale, on va tracer la parabole correspondante V = f (profondeur), sur papier millimétré

2 - Pour chaque verticale, on va compter le nombre de mm2, qui en fonction de l'échelle choisie correspondra à un certain nombre de m2/s (si en X, 1 mm = 0.01 m/s et en Y, 1 mm = 0.02 m, alors 1 mm2 = 2 10-4 m2/s)

3 - On reporte les m2/s en fonction de l'abscisse (distance des verticales par rapport au rivage) sur papier millimétré

L. Bouchaou

__________________________________________________________________________________________

17

4 - On compte le nombre de mm2, qui en fonction de l'échelle choisie correspondra à des m3/s (si en X, 1 mm = 0.01 m2/s et en Y, 1 mm = 0.02 m, alors 1 mm2 = 2 10-4 m3/s).

- Méthode par calcul : Cette méthode est plus rapide que la précédente, mais à utiliser avec précautions. Chaque mesure correspond à un intervalle limité à demi-distance avec les mesures voisines. On aura un certain nombre de rectangles. Pour le calcul du débit, on suit le même procédé que pour la méthode des paraboles.

- Méthode des isotaches : Sur papier millimétré, on trace la section mouillée. On a un espace plan avec des valeurs de vitesse. On trace les courbes d'égale vitesse et on planimètre les surfaces sous chaque isotache. Pour chaque vitesse on a une surface d'où : Q = V . S

VII - JAUGEAGE AU FLOTTEUR Cette méthode donne une estimation des petits débits (voir sortie de terrain) : Chronométrer le temps de parcours d'un flotteur le long d'une distance connue. Le débit est: Q = VA Q = débit (m3/s) V = vitesse effectuée par le flotteur (m/s) A = section mouillée de l'oued (m2)

l

L

l

x

t2

Observateur O'

Aide A'

t1