2.4 Données en hydraulique fluviale
3.1.2 Comparaison à un catalogue de tronçons de référence
Plusieurs établissements américains ont lancé des études d’envergure pour réaliser des catalogues de tronçons de rivières de référence pour le coefficient de résistance à l’écoulement. Les cours d’eau de Nouvelle-Zélande ont eux aussi fait l’objet d’une im- portante campagne de mesure de ce coefficient. Cette section présente un inventaire assez exhaustif des publications de ces campagnes de terrain, menées sur des canaux d’irrigation, des lits mineurs de rivières naturelles et des plaines d’inondation. La tech- nique de mesure du coefficientnde Manning employée dans la plupart de ces études est décrite dans l’annexe C.
Canaux de drainage et d’irrigation
Aux États-Unis, Ramser (1929) réalise pour le compte de l’USDA (United States Department of Agriculture) de nombreuses expériences sur des canaux, pour la plupart
artificiels. À l’aide d’une méthode sommaire basée sur une mesure de la pente de la ligne d’eau, il propose des valeurs calculées du coefficientC de Chézy, puis du coefficientn
de Kutter8. Chaque tronçon est décrit par une ou plusieurs photos en noir et blanc et
un schéma de la section en travers moyenne. Ce premier catalogue de photographies et de mesures a été réédité trente ans plus tard par Fasken (1963). Celui-ci suggère d’utiliser les valeurs obtenues avec la formule de Manning. Il remarque pourtant que cette utilisation n’est pas absolument rigoureuse :
The calculated “ n” values would have been slightly less had the measured values been substituted in the Manning formula.
Selon Culp et al. (1956, p. 5.4.2), cette correspondance est valable pour des pentes
supérieures ou égales à 0,01% et un rayon hydraulique compris entre 0,3met 6 à 9m. Après avoir rendu publics en 1933 les résultats de plus de 450 expériences réalisés sur des canaux bâtis, Scobey (1939) – toujours pour le compte de l’USDA – publie les résultats de près de 500 expériences réalisées sur des canaux de types variés. En utilisant la méthode standard de mesure du coefficientn9, il propose ainsi un tableau des valeurs calculées des coefficients C de Chezy, n de Kutter et n de Manning. Ce tableau est accompagné d’un grand nombre de photographies en noir et blanc et d’une reproduction des sections-types des canaux.
Lits mineurs de rivières naturelles
Barnes (1967) réalise pour le compte de l’USGS (United States Geological Survey)
de nombreuses mesures sur des rivières naturelles après le passage d’une cruenon débor- dante. Il reporte ainsi pour chaque bief étudié les profils en travers de 3 ou 4 sections,
un schéma en plan du bief et deux photographies en couleur. Le débit de pointe de la crue est estimé à partir d’une courbe de tarage, et la ligne d’eau enveloppe correspon- dante est déterminé à l’aide de laisses de crues10. Le coefficientn est alors calculé par
la formule de Manning.
8. Voir l’annexe E (p. 260) pour plus de renseignements sur ce coefficient. 9. Voir l’annexe C.
10. Les mesures sont données en unités anglo-saxonnes, mais une partie d’entre elles est transcrite en unités du Système International dans l’ouvrage de French (1994, p. 132-157)
3.1 E ’
Hayden et al. (1999) ont transcrit ce rapport en langagehtml pour le déposer sur un site Internet11. Nolanet al. (1998)12incluent quant à eux dans leur stage pratique
sur les techniques en hydraulique fluviale une version légèrement différente du rapport de Barnes. Ponceet al. (2001) ont eux regroupé sur un autre site13les photographies et
les valeurs correspondante calculées du coefficientn de Manning dans une collection de miniatures. Il est ainsi possible d’avoir une idée d’ensemble des différents faciès puis d’effectuer un zoom sur ceux se rapprochant du site d’étude.
Coon (1995), toujours pour le compte de l’USGS, effectue de nombreuses mesures sur des cours d’eau de l’état de New-York, dont une majorité de rivières naturelles, et fournit pour chaque site deux photos en noir et blanc ainsi que les valeurs du coefficient
nde Manning calculées pour différents débits. Ce rapport a été repris plus récemment pour inclure de nouvelles photos en couleur des sites étudiés (Coon, 1998).
En Grande-Bretagne, une étude du coefficient de Manning est réalisée au début des années 1990 sur des cours d’eau de la région du Severn-Trent14. Des photos accom-
pagnées des mesures effectuées au débit de pleins bords sur huit sites ont été reprises par Fisher et Dawson (2003, p. 170-185) dans le cadre de la revue bibliographique du projetReducing Uncertainty in River Flood Conveyance.
En Nouvelle-Zélande, Hicks et Mason (1998) ont effectué de très nombreuses me- sures sur des rivières naturelles – mais aussi quelques canaux – qui constituent la plus grande compilation de données disponibles sur le coefficientn15. Ils fournissent pour chaque site une description précise du tronçon étudié, de la granulométrie, plusieurs photos et l’ensemble des mesures réalisées à plusieurs débits.
Aldridge et Garrett (1973) proposent enfin des valeurs du coefficient n – pour la plupartestimées16 – pour des types de cours d’eau intermittents situés dans des ré-
gions arides. Ces recherches ont été poursuivies plus récemment par Phillips et Ingersoll (1998) qui ont réalisé des mesures du coefficientnsur d’autres rivières de l’Arizona.
Plaines d’inondation
Dans leur rapport pour laFederal Highway Administration, Arcement et Schneider
(1984) reproduisent des photographies en noir et blanc de plaines d’inondations asso- ciées à une valeur du coefficientnde Manning calculée par Schneideret al. (1977)17.
Il faut noter que les plaines d’inondation présentées sont uniquement constituées de sous-bois. Ponceet al. (2002) ont regroupé sur un site Internet18 la version en couleur
de ces photographies, sous forme d’une collection de miniatures.
Aldridge et Garrett (1973) proposent quant à eux des valeursestimées de la valeur
du coefficientnpour différents types de plaines d’inondation de cours d’eau de régions arides.
11.www.engr.utk.edu/hydraulics/openchannels/cover.htm
12. Le rapport complet est disponible en versionhtmlsur le sitewwwrcamnl.wr.usgs.gov/sws/ fieldmethods/
13.manningsn.sdsu.edu/
14. N R A, Severn-Trent Region (1991), Manning’s roughness study.Second interim report.
15. Cet ouvrage a fait l’objet de deux revues dans leJournal of Hydraulic Engineering, dont une très récente (Nelson, 2001; Rathburn, 2004).
16. Par des praticiens expérimentés de l’USGS.
17. Comme évoqué plus haut, les calculs présentés sont en unités anglo-saxonnes.
C 3 C
Récapitulatif des références disponibles
Le tableau 3.2 regroupe les différents catalogues de sections de référence disponibles dans la littérature, suivant la nature du cours d’eau considéré.
Type de cours d’eau Auteurs Sites Valeurs den Plusieurs débits
Canaux
bâtis Scobey >250 0,007−0,027 oui(1)
creusés ou dragués
Scobey(2) >300 0,010−0,071 oui(1)
Ramser(3) 41 0,014−0,162 oui
Hicks et Mason 4 0,018−0,045 oui Phillips et Ingersoll 4 0,017−0,052 oui
Coon 2 0,024−0,033 oui
Rivières
Nlle-Zélande Hicks et Mason 74 0,016−0,290(4) oui
États-Unis Barnes 50 0,024−0,075 non Arizona Aldridge et Garrett 35 0,012−0,090(5) oui(6)
New-York Coon 19 0,025−0,129 oui
Floride Gillen 10 0,021−0,218 oui
Arizona Phillips et Ingersoll 10 0,018−0,067 oui Angleterre Fisher et Dawson 8 0,022−0,052 non(7)
Colorado Jarrett 3 0,033−0,142 oui
Lits majeurs Arizona Aldridge et Garrett 10 0,030−0,100 non
(8)
États-Unis (S-E) Arcement et Schneider 9 0,100−0,200 non
T. 3.2 –Récapitulatif des catalogues de sections de référence disponibles.
(1)Sur quelques sites seulement.
(2)Catalogue repris partiellement par Chow.
(3)Catalogue repris par Fasken et partiellement par Chow.
(4)Les sites sont classés par ordre croissant de la valeur denpour le débit moyen inter-annuel. (5)Les sites sont classés parncroissant.
(6)Seuls 6 sites ont fait l’objet de mesures hydrauliques. Les valeurs denont été estimées visuellement
sur les autres sites.
(7)Les mesures données correspondent au débit de pleins bords. (8)Les valeurs denont été estimées visuellement.
Plusieurs points sont à considérer lors de l’utilisation de tels catalogues de tronçons de référence. En effet, certaines mesures répertoriées ont été effectuées dans des condi- tions pour lesquelles le coefficientnmesuré ne peut être utilisé comme paramètre d’un modèle numérique :
– pour des hauteurs d’eau de même ordre que le diamètre médian des sédiments constituant le lit du cours d’eau, la définition du rayon hydraulique et de la pro- fondeur devient ambiguë, et la formule de Manning est difficilement applicable (Smartet al., 2002; Smart, 2004) ;
– pour des débits débordants, la mesure du coefficientninclut les pertes de charges dues au débordement, ce qui ne permet pas d’identifier correctement la valeur du paramètre correspondant à la résistance du lit mineur seul.
3.1 E ’
L’utilisation de catalogues de tronçons de référence doit donc être effectuée avec vigilance. Au vu de ces remarques, on ne peut qu’apprécier l’approche de Hicks et Mason qui fournissent, en sus des valeurs mesurées à différents débits, la valeur du coefficientnpour le débit moyen interannuel oumodule.
Enfin, il est important de prendre en considération la région du monde dans la- quelle ont été effectuées ces mesures. En effet, la morphologie des cours d’eau naturels dépend en grande partie du régime des écoulements qui lui-même est intimement relié à la position géographique du bassin versant étudié. La plupart des rivières intermit- tentes de l’Arizona étudiées par Aldridge et Garrett, Phillips et Ingersoll, mais aussi certains cours d’eau néo-zélandais à la forme caractéristique étudiés par Hicks et Ma- son, ne peuvent être directement transposés en France par exemple.