2 Méthodologie
2.3 Équipements
2.3.1 Enregistreur de débit
Un enregistreur de débit de la marque Teledyne ISCO et de modèle 2150 Area
Velocity Flow Module and Sensor est utilisé et fournit des mesures de hauteur
(niveau de précision de ± 3 mm), de vitesse (niveau de précision de ± 0,03 m/s) et de débit à un intervalle de cinq minutes. Le module d’acquisition de données est installé au sec dans le regard qui permet l’accès à la conduite qui draine les cellules de biorétention. La sonde est placée sur le radier de cette conduite à son exutoire. Grâce aux ondes ultrasoniques et à l’effet Doppler, la sonde mesure la vitesse moyenne et un capteur de pression intégré permet de quantifier la hauteur d’eau. Le débit est ensuite calculé par le logiciel ISCO Flowlink à l’aide de la formule de Manning. Ce même logiciel est utilisé pour transférer les données de l’enregistreur de débit à un ordinateur (Teledyne ISCO, 2012).
2.3.1.1 Débit
Pour vérifier le débit calculé par l’enregistreur, deux options sont possibles dans le cadre de ce projet. Lorsque le niveau du bassin à niveau permanent qui reçoit les eaux s’écoulant des cellules de biorétention est bas, généralement en été, il est possible de mesurer un volume dans le temps à l’aide d’un chronomètre et d’une chaudière. Cette dernière doit être graduée et placée tout juste sous le radier de la conduite qui draine les cellules de biorétention. Il suffit simplement de laisser couler l’eau dans la chaudière au lieu du bassin pendant un intervalle de temps déterminé et de mesurer ensuite quel volume a été recueilli. L’Équation 1 peut être utilisée pour calculer le débit et le volume est exprimé en litres et le temps, en secondes.
Équation 1
𝐷é𝑏𝑖𝑡 =𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑 ′𝑒𝑎𝑢 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑠 é𝑐𝑜𝑢𝑙é
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Dans le cas où le niveau d’eau du bassin est si haut que cela empêche de placer une chaudière pour récolter l’eau de manière gravitaire, soit la plupart du temps en hiver, il est possible d’utiliser un déversoir à jaugeage volumétrique. L’appareil est installé à la sortie de la conduite pendant un certain moment afin de laisser le temps à l’écoulement de se stabiliser, puis il est possible de lire une mesure de débit en gallons américains par jour. La Figure 12 présente le déversoir alors qu’il est installé dans la conduite qui draine les cellules de biorétention.
Figure 12: Déversoir à jaugeage volumétrique
Ces valeurs ponctuelles de débits peuvent ensuite être comparées aux valeurs de débit corrigé dont il sera question dans les prochaines lignes.
Étant donné que les données brutes de débits fournies par le débitmètre se basent sur l’équation de Manning, que l’eau contient peu de particules pour refléter les ondes transmises par la sonde et qu’il est difficile de mesurer les faibles débits avec cet appareil, il est nécessaire de calculer un débit corrigé avec les données disponibles, soit la hauteur d’eau dans la conduite et la vitesse. Il est possible de calculer le débit en multipliant l’aire d’écoulement par la vitesse. Pour quantifier l’aire d’écoulement, il faut tout d’abord déterminer l’aire occupée par le filet d’eau stagnante au fond de la conduite dont le niveau fluctue constamment, même en temps sec. La Figure 13 présente la conduite par temps sec où de l’eau est présente, mais est stationnaire.
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Figure 13: Filet d'eau stagnante dans la conduite drainant les biorétentions
Il faut donc prendre en compte cette « aire de base » lors de l’analyse de chaque événement de pluie. La hauteur d’eau utilisée pour déterminer l’aire du filet d’eau stagnante est déterminée en calculant la hauteur d’eau moyenne pour les 100 minutes précédant le début de l’événement pluvieux. Avec la hauteur d’eau de base, il est possible de calculer l’aire associée à ce volume d’eau stationnaire. Dépendamment si l’écoulement se fait dans la moitié inférieure ou bien si l’eau monte à plus de la moitié du diamètre de la conduite, « l’aire de base » et « l’aire d’écoulement » se calculent différemment. La Figure 14 montre les divers paramètres nécessaires pour calculer les aires.
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Figure 14: Paramètres nécessaires pour calculer les aires
Il faut d’abord calculer les angles ϴ pour l’aire de base et l’aire d’écoulement avec l’Équation 2 (Robert, 2015) où h représente la hauteur d’eau mm et D, le diamètre de la conduite qui est de 250 mm, soit deux fois la valeur r (rayon).
Équation 2
𝜃 = 2𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠 (1 −2ℎ 𝐷)
Les aires occupées par l’eau peuvent ensuite être calculées avec l’Équation 3 (Robert, 2015). Équation 3 𝐴 = SI ℎ <𝑑 2; [ 𝐷2 8 (𝜃 − 𝑠𝑖𝑛𝜃)] ; [ 𝜋𝐷2 4 − 𝐷2 8 (𝜃 − 𝑠𝑖𝑛𝜃)]
L’aire obtenue est en mm2 et le diamètre est en mm. Pour connaître l’aire de l’eau qui génère l’écoulement, il faut calculer l’aire totale occupée par l’eau dans la conduite et y soustraire l’aire de base. Une fois que cela est fait pour chaque point de mesure enregistré par l’enregistreur de débit à un intervalle de cinq minutes, il est possible de calculer l’aire d’écoulement efficace.
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Ensuite, la vitesse doit être déterminée pour chaque tranche de cinq minutes. Puisque l’eau circulant dans la conduite drainant les biorétentions est peu chargée en particules et ne réfléchit pas toujours les ondes envoyées par le débitmètre, l’appareil ne donne que quelques données lors d’événements pluvieux. C’est donc avec les valeurs de vitesse enregistrées entre le 1er janvier 2017 et le 15 août 2017 ainsi qu’entre le 25 novembre 2017 et le 24 juin 2018 qu’une courbe de vitesse d’écoulement en fonction de la hauteur d’eau a été déterminée. Il est à noter que la hauteur d’eau est donnée en tout temps et la vitesse n’est disponible que ponctuellement. La Figure 15 présente la première version de cette relation.
Figure 15: Vitesse d'écoulement en fonction de la hauteur d'eau (version brute)
Il est possible d’observer que la majorité des points se situent entre 50 et 150 mm de hauteur d’eau. Le débitmètre utilisé n’étant pas fait pour les eaux peu chargées tel que c’est le cas ici, il semble que certaines données soient erronées. En analysant ces données, des événements problématiques ont été ciblés. La Figure 16 illustre ces pluies dont les données de vitesse ne correspondent pas à la tendance observable. Il se peut que ce soit dû au manque de particules dans l’eau
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0 50 100 150 200 250 V it es se s d 'écou lement ( m/s) Hauteur d'eau (mm)
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pour réfléchir les ondes afin de fournir des données adéquates. Ce qui se traduit par des données aberrantes.
Figure 16: Courbe de tarage: Vitesse d'écoulement en fonction de la hauteur d'eau (événements problématiques) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0 50 100 150 200 250 V it es se d 'écou lemet (m/s) Hauteur d'eau (mm)
Pluies suivant une tendance claire 12-01-2018 19-02-2018 18-06-2018
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L’événement du 12 janvier 2018 a été partiellement exclu, soit les points en rouge de la Figure 16, les autres points de l’événement sont en bleus et suivent la tendance. En effet, une discontinuité est visible pendant l’événement du 12 janvier, tel qu’observable sur la Figure 17. Ce sont les points dans l’encadré rouge qui ne suivent pas la courbe de tendance.
Figure 17: Deux discontinuités de la vitesse d'écoulement pendant l'événement du 12 janvier 2018
Ensuite, toutes les données de la pluie du 19 février 2018 sont exclues puisqu’elles ne suivent pas du tout la tendance. Pour ce qui est de la pluie du 18 juin 2018, jusqu’à 150 mm les valeurs de vitesse correspondent à la tendance, mais au-delà de cette valeur, une légère divergence est observée. Ainsi, tout l’événement est exclu de la courbe de tarage afin de s’assurer de ne pas inclure de données aberrantes. Ce nettoyage permet de générer une courbe de la vitesse en fonction de la hauteur d’eau avec les 1339 points jugés représentatifs, tel que présenté à la Figure 18. 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 2018-01-12 07:12 2018-01-12 09:36 2018-01-12 12:00 2018-01-12 14:24 Vite ss e d 'é cou le m en t (m /S) Temps
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Figure 18: Courbe de tarage : vitesse d'écoulement en fonction de la hauteur d'eau (épurée)
Un coefficient de détermination R2 de 0,94 est satisfaisant et, avec l’Équation 4, il est désormais possible d’estimer la vitesse d’écoulement pour chaque intervalle de cinq minutes.
Équation 4
𝑉 = 0,0023ℎ − 0,1368
La vitesse V est exprimée en m/s et la hauteur d’eau h en mm. Connaissant alors l’aire d’écoulement ainsi que la vitesse en tout point, le débit instantané peut être calculé avec l’Équation 5.
Équation 5
𝐷é𝑏𝑖𝑡 = 𝐴𝑖𝑟𝑒 𝑑′é𝑐𝑜𝑢𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡 × 𝑉𝑖𝑡𝑒𝑠𝑠𝑒 𝑑′é𝑐𝑜𝑢𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡
L’aire d’écoulement est en mm2 et la vitesse d’écoulement en m/s. Lorsque ces deux derniers paramètres sont multipliés, le débit obtenu peut ensuite être transformé en volume d’eau sortant des biorétentions pour chaque tranche de cinq minutes. Cela se fait en multipliant le débit par 300 secondes, soit l’intervalle de
V = 0,0023h - 0,1368 R² = 0,9415 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0 50 100 150 200 250 Vite ss es d 'é cou le m en t (m /s ) Hauteur d'eau (mm)
50
temps entre deux points de mesure de hauteur, puis, en divisant cette valeur par 1 000 000 afin de déterminer le volume en m3.
2.3.1.2 Vitesse
Valider les vitesses à la fin du projet à l’hiver 2019 n’a pas été possible, car la sonde ne fournissait plus de valeurs. Des fines particules ont probablement recouvert la sonde et celle-ci ne captait plus les signaux envoyés. Toutefois, en se fiant à la Figure 18, une corrélation entre les valeurs de vitesse et de hauteur d’eau existe. Une incertitude difficile à quantifier est à considérer, mais les vitesses permettent cependant de donner une idée approximative des débits générés.