VII.3 Analyse et discussion des résultats:
VII.3.2 Fond rigide avec transport solide:
Les erreurs obtenues lors des calculs de la profondeur d’eau par les sept formules de frottement sont récapitulées dans le tableau VII.6.
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Chapitre VII Examen de l’influence des lois de transport solide
Tableau VII.6 Comparaison entre les profondeurs d’eau mesurées et calculées par différentes lois de frottement
Formule M (%) σ
Strickler 12.96 0.04
Brownlie (1983) 16.24 0.04
Griffiths (1981) 36.39 0.06
Karim (1995) 8.24 0.04
Wu and Wang (1999) 26.58 0.09
Yu and Lim (2003) 23.61 0.06
Recking et al. (2008)
3.87 0.03
(M) l’erreur moyenne normalisée en pourcentage, et (σ) l’écart-type de M.
VII.3.2.1 Formule de Mayer Peter et Müller (1948)
Les résultats obtenus en utilisant cette loi de transport avec toutes les formules de perte de charge sont récapitulés dans le tableau VII.7.
Tableau VII.7 Comparaison entre les capacités de transport mesurée et calculée par La formule de Mayer Peter et Müller (1948)
Formule M (%) σ
Strickler 4.69 0.03
Brownlie (1983) 9.76 0.04
Griffiths (1981) 42.42 0.07
Karim (1995) 14.64 0.17
Wu and Wang (1999) 26.59 0.14
Yu and Lim (2003) 22.11 0.08
Recking et al. (2008) 6.13 0.05
La comparaison des erreurs relatives aux lois de perte de charge avec cette loi de transport solide amène aux mêmes observations soulevées pour les fonds mobiles. Les erreurs dans l’estimation de la capacité de transport sont inférieures à celles dues aux lois de frottement, si ces dernières sont précises et sont dans leurs limites d’application.
Pour les 54 simulations à fond rigide, le fond reste plat et le transport solide dominant est le charriage. La formule de Meyer Peter et Müller (1948) est la plus adaptée dans cette situation pour évaluer le transport solide. En ce qui concerne le frottement, les formules de Strickler et Recking et al. (2008) sont les plus adaptées. Les simulations effectuées avec ses formules produisent les erreurs les plus faibles. Pour le reste des formules qui sont en dehors de leurs domaine de validité, les erreurs dans le calcul du frottement conduisent à des erreurs plus élevées dans le calcul dans la capacité de transport.
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Chapitre VII Examen de l’influence des lois de transport solide
Etude critique du transport solide et ses conséquences dans les cours d’eau nature 120 VII.3.2.2 Formule d’Engelund et Hansen (1967)
Les résultats obtenus en utilisant cette loi de transport avec toutes les formules de perte de charge sont récapitulés dans le tableau VII.8
Tableau VII.8 Comparaison entre les capacités de transport mesurée et calculée par La formule d’Engelund et Hansen (1967)
Formule M (%) σ
Strickler 70.79 0.11
Brownlie (1983) 72.69 0.10
Griffiths (1981) 82.35 0.05
Karim (1995) 67.11 0.10
Wu and Wang (1999) 78.01 0.07
Yu and Lim (2003) 76.52 0.08
Recking et al. (2008) 65.43 0.10
Les mauvais résultats de la formule d’Engelund et de Hansen (1967) sont dus à la dominance du charriage. Dans cette situation, les faibles erreurs dans l’estimation du frottement ne conduisent pas forcément à des faibles erreurs dans l’estimation du transport solide. La dispersion des résultats est de moins de 11% , ce qui montre que l’effet des lois de frottement est négligeable.
VII.4 Conclusion
Les lois de transport solide sont dépendantes de celles de frottement. Dans les modèles numériques, cette dépendance ne peut pas être dissociée des autres aspects de la modélisation numérique ; surtout les techniques de résolution des équations. Dans l’ensemble des 92 simulations étudiées dans ce chapitre, on peut conclure que :
• Si le frottement est bien évalué, il conduit à des faibles erreurs dans le calcul de la capacité de transport ;
• Le mauvais choix de la formule de perte de charge engendre des erreurs supplémentaires dans la capacité de transport quellle que soit la formule utilisée.
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Chapitre VIII Etude du cas de l’oued Bousaâda
Chapitre VIII
Etude du cas de l’Oued Bousaada
VIII.1 Introduction
Dans ce chapitre, nous allons étudier le cas de l’oued Bousaâda qui représente un cas type des oueds algériens. Ce test va servir également à compléter l’étude de l’effet de frottement et de transport solide dans la modélisation 1D (cas du code RubarBE) sur un cas réel.
Pour cela, un tronçon de 6000 m de long de l’oued Bousaâda est simulé par le code RubarBE pour une longue période 1984-2004. Tout comme les autres oueds algériens équipés de stations hydrométriques, les données hydrométriques ne sont pas tout le temps satisfaisantes. Elles présentent plusieurs difficultés, à savoir leur qualité et continuité. Oued Bousaâda est équipé d’une seule station hydrométrique. Ses données couvrent la période 1970-1988 seulement. Pour pouvoir réaliser la simulation il nous fallait compléter ces données jusqu’à l’année 2004. Pour cela nous suivons les étapes suivantes :
- décrire le bassin versant de l’oued ;
- générer les débits maximums de la période 1988-2004 en se basant sur les précipitations maximales journalières de la même période ;
- retracer les hydrogrammes des crues correspondant aux débits maximums régénérés.
VIII.2 Caractéristiques du bassin versant de Boussada
Le bassin versant du Hodna se situe au centre de l’Algérie, c’est le 5ème grand bassin de l’Algérie (figure VIII.1) d’une superficie de 26 000 km². Il est caractérisé par des séries de montagnes dans le nord et le sud avec des altitudes de plus de 1200 m, ces dernières entourent une cuvette presque plate (dite Chott) à 400m d’altitude et d’une superficie de 1 150 km². Le bassin versant de l’oued Bousaada est le 17ème sous-bassin du grand bassin Hodna (Figure VIII.2), il occupe une surface de 1020 km², avec une longueur du talweg du principal de 69.0 km
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Chapitre VIII Etude du cas de l’oued Bousaâda
Fig. VIII-1 Différents sous-bassins, oueds et stations hydrométriques du bassin versant du Hodna
Fig. VIII-2 Situation du sous-bassin de l’oued Bousaada dans le Bassin du Hodna
Oued Bousaâda est caractérisée par une pente moyenne de 8.70‰, avec une altitude moyenne du bassin Hmoy =1030 m et un temps de concentration Tc = 13.94 heures.
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Chapitre VIII Etude du cas de l’oued Bousaâda
VIII.3 La pluviométrie :
Le réseau national de contrôle et d’acquisition des données climatologiques est partagé par l’Agence Nationale des Ressources Hydrauliques [ANRH] et l’Office National de la Météorologie (ONM). L’ensemble des études menées sur le bassin versant du Hodna a révélé les difficultés de traitement des données pluviométriques de point de vue qualité, densité et distribution des postes. Le bassin du Hodna est équipé de 38 postes pluviométriques sur une surface de 25. 000 km², soit à une densité d’un poste pour chaque700 km².
Pour oued Bousaâda, aucun poste pluviométrique n’est installé dans son bassin, le poste le plus proche et qui représente la pluviométrie sur le bassin est celui de Ain Elmeleh (code 052003 dont les coordonnées sont X = 634.05, Y = 173.05, Z = 956) [ANRH]. Ce poste pluviométrique enregistre les cumuls des pluies journalières, il a été mis en marche depuis 1960 avec certaines lacunes. Ces dernières sont comblées par des modèles régressifs (figure VIII.4 et VIII.5) à partir d’un poste mieux contrôlé, celui de Ain Kherman (code 050702, X
= 631.2, Y =240.45, Z = 500). Les deux postes présentent les mêmes tendances météorologiques, et l’homogénéité des deux séries pluviométriques a été vérifiée par la comparaison des totaux cumulés annuels ou « double masse » des deux stations figure VIII.3.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
0 1000 2000 3000 4000
précipitation moyenne annuelle à la station de Ain Elmeleh précipitation moyenne annuelle à la station de Ain Kherman
Fig VI-3 Courbe de double cumul (Ain Elmeleh Ain Kherman)
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Chapitre VIII Etude du cas de l’oued Bousaâda
PAM = 0.5505PKh + 4.9245 R2 = 0.3583
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
0 10 20 30 40 5
Pluie max journalière de Ain Kherman Pluie max journalière de Ain Elmeleh
0
Fig. VIII-4 Modèle régressif de la pluie maximale journalière Ain Elmeleh =f(Ain Kherman)
PAM = 0.6827PKh + 6.575 R2 = 0.5382
0 10 20 30 40 50 60 70
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Pluie mensuelle de Ain Kherman
Pluie mensuelle de Ain Elmeleh
Fig. VIII-5 Modèle régressif de la pluie mensuelle Ain Elmeleh =f(Ain Kherman)
VIII.4 Reconstitution de la courbe de tarage de la station hydrométrique de Bousaada La station hydrométrique de l’oued Bousaada appelée « Moulin Ferrero » est l’une des sept stations hydrométriques du bassin Hodna. Elle a été mise en marche en début de l’année 1970 dans le but de contrôler les apports liquides et solides de l’oued Bousaâda. En plus des lacunes des données, cette station présente des anomalies au niveau de son étalonnage.
Comme pour toutes les stations hydrométriques en Algérie, les données hydrométriques exploitables sont des débits moyens journaliers et des débits instantanés (à pas de temps variables selon la période) avec des mesures de concentrations des sédiments en suspension.
Notre station présente des débits moyens journaliers très faibles de l’ordre de 0.0909 m3/s pour la période 1970-1993 avec des lacunes entre 1978-1984 en plus de l’année 1991. Nous
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récapitulons les moyennes, les maximums, et les minimums des débits moyens journaliers dans le tableau VIII.2
Tableau VIII.1 Débits moyens journaliers de l’oued Bousaâda Débit moyen Journalier [m3/s]
année Moyenne /an Min /an Max /an 1971 0.22 0.08 7.54 1972 0.21 0.09 10.10 1973 0.11 0.07 0.14 1974 0.20 0.07 9.55 1975 0.39 0.03 51.90 1976 0.15 0.09 1.03 1977 0.11 0.06 0.34 1985 0.0981 0.0340 0.59 1986 0.0907 0.0260 0.205 1987 0.0758 0.0340 0.77 1988 0.0761 0.0100 0.14 1989 0.091 0.0100 0.165 1990 0.0824 0.0460 0.128 1992 0.1142 0.0100 0.184 1993 0.0992 0.0650 0.164 0.0909
Pour les mesures des débits instantanés avec les concentrations, les services concernés de l’Agence Nationale des Ressources Hydrauliques d’Algérie [ANRH] nous ont offert un fichier de 2025 mesures qui couvrent une période entre 1970-1988.
L’analyse de cette série de mesures montre que ces données sont incomplètes. Elle contient pour chaque enregistrement, la date, l’heure, la hauteur d’eau en centimètre, et la concentration des sédiments en suspension. Les deux champs des débits liquide et solide n’étaient pas remplis (tableau VIII.3). Le passage par la courbe de tarage est donc incontournable pour recalculer les débits liquides et solides.
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Tableau VIII.2 Exemple des enregistrements des données hydrométriques instantanées Code de la
station
Date Heure hauteur (cm)
Concentration (g/l)
Débit liquide
Ql
Débit soldie Qs
…. … … … … … …
13-août-75 21:00 5 0.32 13-août-75 / / 14-août-75 12:00 4 0.02 14-août-75 / / 10-sept-75 08:00 20 0.55 10-sept-75 / /
… … … … … … …
Pour retracer une courbe de tarage, le modèle hydraulique (Rubarbe) est utilisé sur un tronçon de l’oued d’une longueur de 6250 m. La station hydrométrique qui se trouve au Pk 4827 m est introduite avec son ancien profil en travers relevé par les agents de l’ANRH. La nature rocheuse des berges et le seuil en béton réalisé sur le fond justifient le maintien du même profil sur toute la période d’étude (1970-1988)
Station hydrométrique de Moulin Ferrero
Fig. VIII-6 Profil en long du tronçon de l’oued Bousaâda avec localisation de la station hydrométrique
Pour le calage du coefficient de Strickler, on a utilisé un seul événement (crue de 22 septembre 1975) parce que c’est la seule crue observée avec un débit important (Qmoyen journalier observé = 51.9 m3/s) et des hauteurs d’eau relevées sur toute la journée (figure VIII-7)
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Chapitre VIII Etude du cas de l’oued Bousaâda
0 100 200 300 400 500 600 700 800
0 12 14 15 15.5 16 17 18 19 20 21 24
temps (h)
Débit (m3/s)
0 100 200 300 400 500 600
Hauteur d'eat (cm)
Débit instantané (pour k=20) Hauteur d'eau
Fig. VIII-7 Hydrographe des hauteurs d’eau et hydrogramme de la crue de 22 sep 1975
Un calage de Strickler sur ces données est effectué en comparant, à chaque fois, le débit moyen journalier calculé et celui observé. Les résultats de ce calage sont récapitulés dans le tableau VIII.3.
Tableau VIII.3 Calage du coefficient de Strickler pour la crue observée le 22 september 1975 Temps
(heures) H (cm) Q k=30 Q k=24 Q k= 23 Q k= 22 k=20 k=18 0 3.000 0.105 0.093 0.093 0.088 0.134 0.001 12 3.000 0.105 0.093 0.093 0.088 0.134 0.001 14 100.000 69.248 50.129 47.191 45.618 48.605 13.138 15 400.000 841.910 601.981 554.268 538.921 498.978 548.925 15.5 537.000 1228.241 877.907 807.806 785.573 724.165 816.819 16 400.000 841.910 601.981 554.268 538.921 498.978 548.925 17 150.000 146.727 103.710 97.000 93.927 96.050 39.142 18 100.000 69.248 50.129 47.191 45.618 48.605 13.138 19 70.000 35.772 26.445 25.038 24.167 26.697 5.029 20 40.000 12.690 9.696 9.262 8.919 10.428 1.115 21 20.000 3.515 2.798 2.703 2.595 3.254 0.172 24 20.000 3.515 2.798 2.703 2.595 3.254 0.172 Qmj calculé (m3/s) 86.075 61.672 57.128 55.504 52.759 41.723 ER (%) 65.847 18.829 10.072 6.944 1.654 -19.608
Q : débit calculé correspondant à chaque Strickler, Qmj : débit moyen journalier ER= l’erreur relative =QmoyjCalculé -QmoyjObservé/QmoyjObservé
Le Strickler K= 20 donne l’erreur relative la plus faible (ER= 1.654 %) par conséquent il est retenu pour le calcul des débits. La courbe de tarage obtenue par ce Strickler est utilisée pour calculer tous les débits instantanés en utilisant les hauteurs d’eau observées.
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Chapitre VIII Etude du cas de l’oued Bousaâda
VIII.5 Relation Pluie-Débit
Pour estimer les débits liquides importants dans la période dépourvue de mesures, le seul moyen est de chercher une dépendance fonctionnelle entre les débits et les pluies, car ces dernières sont les seuls paramètres climatologiques relativement bien enregistrés.
L’utilisation des modèles hydrologiques n’apporte aucun avantage au vu de la qualité des données à savoir, le pas de temps, la taille des séries des pluies et des débits en plus du manque des enregistrements des paramètres climatologiques. Le passage par une analyse de régression semble mieux adapté pour décrire la tendance des débits en fonction des précipitations.
Par ailleurs, on ne s’intéresse qu’aux forts débits capables de faire bouger les sédiments du fond (grands galets), pour cela, on opte pour 3 m3/s et 10 mm comme seuils des débits et des précipitations ; respectivement pour chaque enregistrement utilisé dans la régression.
Pour effectuer cette régression, on a procédé comme suit:
1. sélectionner le débit maximum instantané observé dans chaque mois à partir des débits instantanés couvrant la période 1970-1988,
2. à chaque débit sélectionné, on lui associe les précipitations maximales journalières et totales dans le mois correspondant,
3. on élimine les cas où le débit est inférieur à 3 m3/s et/ou la précipitation est inférieure à 10 mm.
Sous l’hypothèse que le débit maximum instantané enregistré dans le mois est généré par la précipitation maximale journalière observée dans le même mois, nous avons essayé de relier ces deux paramètres par plusieurs types de régression. Une fonction exponentielle a donné les meilleurs résultats (figure VIII-8).
Cette relation est utilisée pour régénérer les débits maximums instantanés correspondants aux précipitations maximales journalières mesurées dans chaque mois et sur toute la période 1988-2004. Les débits au dessus du seuil (3 m3/s) sont récapitulés dans le tableau VIII.4.
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Chapitre VIII Etude du cas de l’oued Bousaâda
Tableau VIII.4 Débits maximums instantanés estimés à partir des Pmaxj entre 1988-2004 Année mois Pmaxj Qmax (m3/s)
1989 sept 19.6 39.8034399 1989 janv 21.8 72.6499962 1989 mai 27.9 385.292713 1990 mars 18.88 32.6706384 1991 oct 22 76.7346478 1991 mai 22.8 95.5025872 1994 nov 13.8 8.14702914 1996 aout 16 14.8701127 1997 sept 16.2 15.7061654 1997 janv 32.8 1471.67037 1998 sept 22.6 90.4189019 1999 sept 17.4 21.8074867 1999 oct 12.8 6.19754557 1999 nov 25.7 211.093959 2001 sept 14.3 9.34090682 2002 aout 18.3 27.8937692 2003 oct 14.93 11.1183647 2003 nov 30 684.270521
Pmaxj : précipitation maximale journalière dans le mois, Qmax : débits instantané maximum dans le mois
Qmax = 0.1873e0.2735pmaxj
R2 = 0.7326
0 100 200 300 400 500 600
0 5 10 15 20 25 30
Pmaxj dans le mois (mm)
Débit max dans le mois (m3/s)
Fig. VIII-8 Corrélation entre les débits maximums instantanés observés dans le mois et les précipitations maximales journalières enregistrées dans le même mois (période 1988-2004)
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Chapitre VIII Etude du cas de l’oued Bousaâda
VIII.6 Relation débit liquide-débit solide
Les débits solides s’expriment en fonction des débits liquides selon une loi de puissance . Cette dernière est appliquée et validée sur plusieurs bassins algériens Ben khaled et Remini (2003), Magnounif et al. (2003), Bouanani (2004), Achite et Meddi (2004), Achite et Ouillon (2007), Ghenim et al. (2007). Les coefficients de la loi présentent une variabilité remarquable.
b
S aQ
Q =
Dans la majorité de ces études la loi est bien valide, néanmoins, une variabilité des résultats est observée entre les échelles de temps : saisonnière, mensuelle, annuelle, journalière et instantanée. Dans cette étude, on s’intéresse uniquement aux débits instantanés solides et liquides (mesurés entre 1970 et 1988) au dessus du seuil.
Parmi les 2025 mesures dont on dispose dans cette période, on est arrivé à un échantillon de 84 données seulement, tout le reste des mesures concerne des débits très faibles (d’étiage).
L’application de la loi de puissance à notre échantillon nous a donnée des résultats (figure VIII-9) très raisonnables.
Qs = 1.695Ql1.5792 R2 = 0.6158
Nd= 84
0 10000 20000 30000 40000
0 100 200 300 400 500 600
Ql Débit liquide instantané (m3/s) Qs Débit solide intantané (kg/s)
Fig. VIII-9 Relation entre les débits liquides et solides (oued Bousaâda)
VIII.7 Détermination de la forme des hydrogrammes des crues
En se basant sur la crue (mesurée) du 22 septembre 1975 (figure VIII.7), nous déterminons l’hydrogramme unitaire correspondant à la même durée de pluie efficace qui a généré cette crue. L’hypothèse d’une même durée des pluies efficaces pour toutes les averses qui génèrent les débits maximums pendant toute la période de 1984-2004 permet de retracer les hydrogrammes de ces derniers à l’aide de l’hydrogramme unitaire de la crue mesurée au 22 septembre 1975.
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Chapitre VIII Etude du cas de l’oued Bousaâda
VIII.8 Caractéristiques du tronçon de l’oued Bousaâda étudié
Le tronçon simulé dans cette étude présente la partie aval de l’oued qui passe par la ville de Bousaâda sur une longueur de 6000 m environ. Pour ce fait, nous disposons de deux levés topographiques, un effectué sur une longueur de 6400 m en avril 1983 par le bureau d’étude (TESCO-VISITERV, INGENIEURS CONSEILS, BUDAPEST) dans le cadre d’une étude d’aménagement et de recalibrage de l’oued Bousaâda contre les eaux des crues ; l’autre effectué par le bureau d’étude NEE-Alger en 2004 dans le cadre d’une deuxième étude d’aménagement de l’oued Bousaâda. Ce dernier levé concerne le tronçon qui passe par la ville sur longueur de 3000 m.
VIII.9. Paramètres de calcul
VIII.9.1 Formules de transport solide
Pour étudier l’effet des formules de transport solide sur la qualité des résultats nous avons effectué le calcul avec deux formules de transport solide : la formule de Meyer Peter et Müller (1948) pour étudier le cas de charriage, et celle d’Engelund et Hansen (1967) pour étudier le transport solide total.
VIII.9.2 Formules de perte de charge
Dans chacune des formules de transport solide, nous avons effectué le calcul par les sept formules de dissipation d’énergie sélectionnées au chapitre II.
En tout, nous avons effectué 14 simulations. Dans chacune, nous avons injecté les deux séries représentatives des débits solides et liquides couvrant toute la période 1984-2004. Le tronçon simulé est celui de 1983, mais les résultats seront comparés au levé réel de 2004 qui représente la partie aval sur une longueur de 3000 m seulement.
VIII.10 Analyse des résultats et discussion
Sur toute la longueur de comparaison de 3000 m de longueur, nous avons choisi, en plus du profil en long, deux sections en travers situées au Pk -2644 et -2050 m du dernier point (x
= 0 m) à l’aval du tronçon étudié (Figure VIII-6).
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VIII.10.1 Simulations avec la formule de charriage de Meyer Peter et Müller (1948) Dans ces simulations, nous avons utilisé la formule de Meyer Peter et Müller (1948) pour évaluer la capacité de transport. Pour la dissipation d’énergie, nous avons utilisé les sept formules déjà sélectionnées au chapitre II. Les résultats de chaque couple de formules (capacité de transport, dissipation d’énergie) sont montrés dans les figures VIII-10, 11, et 12, et dans le tableau VIII.5.
538 543 548 553 558 563 568 573
-3000 -2500 -2000 -1500 -1000 -500 0
Distance X (m)
cote du fond Zf (m)
Profil en long initial Fle de Strickler Fle de Brownlie (1983) Fle de Griffiths (1981) Fle de Karim (1995) Fle de Wu and Wang (1999) Fle de Yu and Lim (2003) Fle de Recking et al. (2008) Prfil réel
Fig. VIII-10 Profils en long calculés par la formule de Meyer Peter et Müller (1948) et comparés au profil réel
Tableau VIII.5 Ecarts moyens de la variation du fond mesurés et calculés par la formule de Meyer Peter et Müller (1948)
Formule de EM de Zf
(m) ERM de Zf
Strickler 1.97 2.11 Brownlie (1983) 2.02 2.12 Griffiths (1981) 0.96 0.91 Karim (1995) 2.02 2.28 Wu ang Wang (1999) 1.33 1.51 Yu and LIM (2003) 2.02 2.15 Recking et al. (2008) 3.28 3.62
EM : Ecart moyen de la variation absolue du fond Zf =(Zf réelle – Zf calculée) ERM : Ecart moyen de la variation relative du fond Zf =(Zf réelle – Zf calculée)/ (Zf réelle – Zf initiale)
Etude critique du transport solide et ses conséquences dans les cours d’eau naturels 132
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Chapitre VIII Etude du cas de l’oued Bousaâda
569.5 570 570.5 571 571.5 572 572.5 573 573.5 574 574.5
-15 -10 -5 0 5 10 15 20
Distance X (m)
Cote du fond Zf (m)
Fle de Strickler Fle de Brownlie (1983) Fle de KGriffiths (1981) Fle de Karim (1995) Fle de Wu and Wang (1999) Fle de Yu and Lim (2003) Fle de Recking et al. (2008) Profil réel
Fig. VIII-11 Profils en travers de la section (x = -2644 m) calculés par la formule de Meyer Peter et Müller
Fig. VIII-11 Profils en travers de la section (x = -2644 m) calculés par la formule de Meyer Peter et Müller