1. Le hall hydraulique
Le laboratoire d’hydraulique du centre Irstea de Lyon dispose de plusieurs modèles pour caractériser les écoulements en rivière : l’équipe Milieux Aquatiques, Ecologie et Pollutions.
De plus, la construction d’un modèle urbain est prévue pour 2016 pour l’étude des inondations en ville et des interactions avec un réseau d’égout.
2. Description des canaux
Dans cette sous partie la présentation du fonctionnement des deux canaux (large et inclinable) mentionnés dans la partie précédente va être réalisée. Ensuite je n’aborderai que le canal dit inclinable puisque je n’ai effectué que des opérations basiques sur l’autre canal. Cependant, il est intéressant de comprendre comment fonctionnent ces deux canaux.
Le canal large sert actuellement à l’étude de l’effet de différents types de rugosité en plaine d’inondation (prairie, arbres…) sur un écoulement en lit composé (mineur et majeur) ou à l’étude d’écoulements autour d’obstacles (type maisons en lit majeur lors de crues extrêmes) – thèse Victor Dupuis, projet ANR Flowres.
L’autre canal hydraulique peut s’incliner jusqu’à une pente maximum de 5%. Cela permet actuellement de simuler des écoulements torrentiels (thèse Emeline Perret, post-doc Albert Herrero) et d’étudier les phénomènes d’infiltration de sédiments fins dans un substrat de sédiments grossiers ainsi que la mise en mouvement des sédiments grossiers.
Pour l’alimentation en eaux des canaux, l’installation du hall hydraulique offre trois circuits de distribution :
1. Ils peuvent être alimentés en eau claire via une tour de régulation à charge constante. L’eau circule alors en circuit fermé via une cuve souterraine. Le débit maximal admissible par canal est de 300 L/s.
2. Ils peuvent être alimentés en eau chargée en sédiments en suspension (granulométrie < 1 mm) en circuit fermé également. La circulation s’effectue dans ce cas via une cuve souterraine plus petite, équipée d’un agitateur pour homogénéiser la concentration en sédiments. Débit maximal par canal : 200 L/s.
3. Enfin, il est possible, de travailler en circuit ouvert. Les canaux sont alimentés en eau claire par la tour de régulation et en sédiments secs par une trémie. Cette trémie est en cours de conception. A la sortie, l’eau est dirigée vers une cuve souterraine où les sédiments fins se déposent, puis elle se déverse à nouveau vers la cuve d’eau claire.
La figure 3 illustre ces trois modes de fonctionnement.
Figure 3: Schéma d’utilisation des différentes bâches d’eau (source Irstea)
Les parois des deux canaux sont entièrement composées de verre pour permettre de mesurer la vitesse d’écoulement par stéréo PIV (Particule Image Velocimetry) sur l’ensemble de la longueur et de la largeur.
Un banc de mesure est installé sur chacun des canaux (figure 4). Ces bancs permettent de fixer tous types de capteurs et sont motorisés pour se déplacer automatiquement à des positions renseignées par l’utilisateur.
Figure 4: Banc de mesure automatisé
3. Les manipulations sur le canal inclinable
L’objectif principal est de caractériser les flux sédimentaires en rivière. Albert Herrero, post doctorant, travaille sur la dynamique des sédiments fins sur un lit de sédiments grossiers et principalement sur l’infiltration des sédiments dans le lit. Il étudie différents paramètres sur la vitesse d’infiltration des sédiments fins. Emeline Perret, doctorante, travaille sur la mise en mouvements des sédiments grossiers en présence de sédiments fins. Pour cela elle fait varier plusieurs paramètres tels que la pente (de 0 % à 5 %), le débit (de 30 L/s à 80 L/s), le colmatage du lit.
Ces travaux sont complémentaires. Dans un premier temps, un lit de sédiments grossiers (graviers de 4 à 20 mm) est installé. De l’eau chargée en sédiments fins (30 L/s) circule en circuit fermé ensuite au-dessus de ce lit. Cette eau chargée circule à une vitesse plutôt lente (moins de 1 m/s) pour ne pas déstabiliser le lit et pour que les sédiments fins se déposent. Lorsque le lit est bien colmaté un débit d’eau plus important (minimum 50 L/s) est introduit dans le canal et les sédiments fins et grossiers sont remis en mouvement. Pour étudier la mise en mouvement des sédiments grossiers, une autre manipulation consiste à faire circuler de l’eau claire sur un lit de graviers uniquement. Ce qui permet de comparer la différence du début de mise en mouvement entre un lit simple ou composé.
D’autres manipulations peu fréquentes ont lieu pour aider d’autres laboratoires dans leurs recherches car ils ne disposent pas d’un canal aussi long. Par exemple une expérience a été réalisée pour le Centre d’Etudes et d’expertise sur les Risques, l’Environnement, la Mobilité et l’Aménagement (CEREMA) pour voir l’effet d’un écoulement sur un lit de sable de forme trapézoïdale (voir figure 5). L’objectif était d’illustrer le phénomène d’évolution des chenaux à section draguée soumis à un écoulement.
Figure 5: Représentation de l’écoulement sur un fond trapézoïdal
4. Les capteurs
Pour caractériser l’écoulement et le transport sédimentaire et obtenir des données à traiter, de nombreux capteurs sont installés sur ce canal. Pour commencer un débitmètre électromagnétique permet de contrôler le débit d’alimentation des pompes. Il fonctionne suivant le principe de Faraday : le débit qui circule créé une différence de potentiel électrique lorsqu’une onde électromagnétique est envoyé au travers. Trois capteurs ultrasons (US) permettent de mesurer des hauteurs. Des ondes ultra-sonores sont envoyées pour faire les mesures. La vitesse de propagation de ces ondes étant constante dans l’air, le temps de vol est proportionnel à la distance parcourue par l’onde pour faire l’aller-retour jusqu’au premier obstacle. Ces ultrasons ne passent pas à travers l’eau, ce qui permet de mesurer le niveau d’eau à chaque instant et à trois endroits différents sur le canal.
Deux turbidimètres installés à l’amont et à l’aval du canal permettent de connaître la valeur de la concentration en sédiments fin dans l’eau. Cette concentration n’est pas directement mesurée, les turbidimètres mesurent la turbidité de l’eau par des méthodes de photométrie (science du rayonnement lumineux), qui grâce à une courbe de conversion permet d’obtenir la concentration en sédiment. Connaissant le débit injecté et la valeur de la turbidité à deux endroits précis on peut avoir une idée de la quantité de sédiments qui se déposent ou se remettent en suspension.
Un ADV (acoustic doppler velocimeter) permet de mesurer la vitesse par effet doppler (profil 3D) des sédiments fins qui sont transportés grâce à des ondes acoustiques réfléchies sur ces sédiments. On suppose que les sédiments en suspension ont la même vitesse que l’écoulement.
D’avantage de données sont requises en particulier sur la composition du lit. D’autres capteurs ont donc été installés pour visualiser de façon plus précise la bathymétrie du lit. Un des capteurs installés, un scanner, est présenté dans la partie suivante et son installation est développée dans le paragraphe II.C.
5. Présentation du capteur installé
Le capteur installé est un scanner laser. Lors de mon arrivée à Irstea seul un capteur ultrason permettait de mesurer la bathymétrie du lit. Il s’agissait de l’US qui mesure le niveau d’eau. Mais ce type de capteur n’est pas très précis car la mesure est moyennée sur une zone qui peut atteindre 10 cm de diamètre à cause de l’ouverture du faisceau. Une bathymétrie bien plus précise est nécessaire pour caractériser l’agencement des sédiments dans le lit. Un scanner laser a donc été acheté, il s’agit du modèle Scan Control 2900-100. Ses caractéristiques techniques sont présentées en Annexe 1. Il est possible de le synchroniser avec le chariot motorisé qui déplace les capteurs au-dessus du canal et de piloter l’ensemble via un programme LabVIEW. Le laser appartient à la classe 2M. La vision directe du faisceau peut être dangereuse notamment avec des instruments optiques mais il n’y a pas de risque de réflexion du faisceau.