Principales techniques de courantométrie existantes

Un grand nombre de techniques de mesures de débit ou de courantologie sont disponibles actuellement et sont appliquées dans des domaines très variés : hydrologie, océanographie, industrie…

Quatre techniques différentes ont été testées sur le terrain afin de trouver les équipements les plus adaptés aux sites d'étude. Nous décrivons ci-après leurs caractéristiques principales et les raisons du choix de notre matériel. Les caractéristiques des techniques décrites sont résumées dans le Tableau 3-6 en fin de paragraphe.

4.1.3.1. Mesure de la vitesse à l'aide de capteurs tournants

La vitesse est déduite principalement de la mesure du nombre de tours effectués par l'hélice (ou le rotor) équipant l'appareil. En hydrologie il s'agit des moulinets et micro-moulinets utilisés pour des jaugeages en rivière. En océanographie, ces systèmes sont associés à une mesure de la direction de courant et sont appelés "VACM" pour Vector Average Current Meter.

Avantages : ces appareils présentent un fonctionnement simple et ne nécessitent pas un grand apport d'énergie.

Inconvénients : Les capteurs ont une vitesse de démarrage seuil dictée par la taille de l'hélice et leur fonctionnement mécanique les rend fragiles.

4.1.3.2. Mesure de la vitesse par effet Doppler

Les courantomètres à effet Doppler envoient des ondes ultrasonores dans le milieu. Les particules circulant dans le fluide réfléchissent les ondes avec un décalage de fréquence, fonction de leur vitesse.

L'appareil enregistre en retour le décalage de fréquence, appelé Fréquence Doppler. En réalité la vitesse du fluide est différente selon la position dans la section de mesure et chaque particule en suspension va réfléchir les ondes avec un décalage différent. Le récepteur mesure donc une série de fréquences constituant le spectre de fréquence. Ce spectre est traité et analysé électroniquement pour en déduire la vitesse moyenne de l’écoulement (SETUDE/RHEA, 1999)

On distingue communément deux types d'appareils (Edelhauser, 1999) :

- Les débitmètres à effet Doppler utilisés dans l'hydrologie et l'industrie (aussi appelés Continuous Wave Doppler) qui associés à un capteur de niveau d'eau permettent de faire des mesures de débitmétrie en système de canal ouvert ou rivière.

- Les "profilers" ou ADCP pour Acoustic Doppler Current Profiler (aussi appelés Pulsed Doppler Profiling) en océanographie qui permettent d'effectuer un profil de vitesse sur des colonnes d'eau de 30 m à plusieurs kilomètres (RDI, 1996)!

Avantages : Les appareils sont robustes et fiables

Inconvénients : La mesure de vitesse nécessite une présence suffisante de particules dans l'eau.

4.1.3.3. Débitmètrie acoustique à "temps de transit"

La mesure de débit par ultrasons "temps de transit" est basée sur la différence de temps de parcours d'ondes ultrasonores émises par deux appareils placés de manière diamétralement opposés sur une section de mesure d'écoulement.

En pratique, une "corde" de mesure est constituée par deux sondes dirigées l'une vers l'autre et émétrices-réceptrices d'une onde ultrasonore (Figure 3-30). Le temps de parcours de l'onde amont-aval est inférieur à celui de l'onde aval-amont du fait que le fluide est en mouvement. La différence de temps entre les deux trajets permet d'établir une vitesse d'écoulement moyenne sur la corde, matérialisée par la diagonale séparant les deux sondes, et d'en déduire le débit s'écoulant à travers la section de mesure.

Cette technique est utilisée principalement dans l'industrie et particulièrement lors de mesure de débit sur des conduites en charge, mais elle a été adaptée en hydrologie de surface.

C'est encore le même principe qui est utilisé sur les courantomètres dits "acoustiques" développés pour l'océanographie qui possèdent alors quatre transducteurs émettant des ondes ultrasonores pour effectuer de la mesure de vitesse en 2 dimensions.

Avantages : Cette technique est tout à fait adaptée pour la mesure dans de l'eau peu chargée en particule en suspension. Elle permet d'obtenir un débit d'une grande précision.

Inconvénients : Le montage des sondes est plus délicat.

Figure 3-30 : Schéma de principe de la mesure de débitmétrie à ultrasons "temps de transit"

4.1.3.4. Mesure de vitesse par capteur électromagnétique

Ces courantomètres sont équipés de bobine à induction magnétique et d'électrodes. L'eau se déplaçant entre ces électrodes coupe le champ magnétique et créée une tension proportionnelle à la vitesse d'écoulement.

Ce type de capteur est couramment utilisé dans l'industrie, c'est aussi ce type de mesure qui est utilisé sur les lochs des bateaux.

Avantages : La mesure peut être adaptée à toute sorte de fluide en mouvement et permet de déterminer de très faibles vitesses d'écoulement.

Inconvénients : Utilisé principalement dans l'industrie, peu de fabricants proposent des modèles adaptés à la mesure sur le terrain.

Type d'appareil Avantage Inconvénients Exemples d'appareils (fabricants) caractéristiques et quelques modèles en exemple. (en italique gras sont présentés les appareils développés en océanographie)

4.1.4. Choix des appareillages 4.1.4.1. Débitmètre/courantomètre

Quelle que soit la technique envisagée, les appareils développés dans le domaine de l'océanographie sont susceptibles d'être utilisés dans la mesure de débit des sources sous-marines côtières. Ces appareils, conçus pour fonctionner en milieu extrême, ont un coût élevé (généralement 4 à 5 fois supérieur à ceux développés dans l'industrie ou l'hydrologie). Coût, qui dans notre étude, n'a pas pu être pris en charge.

Les courantomètres à hélices ont été rapidement abandonnés car ils ne présentent pas de caractéristiques suffisamment intéressantes et sont difficilement applicables aux sites d'étude.

Les courantomètres fonctionnant sur le principe de l'effet Doppler apportent des caractéristiques très intéressantes, notamment les systèmes "Profilers" développés en océanographie car leur portée permet de concevoir de la mesure sur des grandes sections de galerie comme c'est le cas à Port Miou (les galeries ont des dimensions atteignant les 20 m de diamètre !).

Un de ces appareils (Aquadopp de chez Nortek) a été testé le 16/04/05 pour mesurer l'écoulement dans la galerie de Port Miou. L'appareil n'a pas permis de faire une bonne mesure des vitesses d'écoulement car l'eau souterraine du karst ne présentait pas assez de matières en suspension. Cette constatation a été confirmée par un essai aussi infructueux d'un débitmètre à effet Doppler dans la galerie du Bestouan en janvier 2005 (matériel testé Mainstream de chez Hydreka).

Les techniques de mesure par ultrasons "temps de transit" et électromagnétique se sont révélées ainsi les plus adaptées pour nos sites d'études. Un débitmètre acoustique à "temps de transit" type Minisonic 2000 fabriqué par la société Ultraflux a été installé à Port Miou, tandis qu'un courantomètre électromagnétique FLO-TOTE 3 fabriqué par COMETEC SA a été placé dans le Bestouan. Les sites d'instrumentation vont être détaillés dans la partie 4.2 qui leur est consacrée.

4.1.4.2. Sonde de conductivité

La mesure de la salinité est effectuée couramment par des sondes mesurant à la fois la conductivité et la température de l'eau. De nombreux fabricants proposent toutes sortes de capteurs plus ou moins autonomes.

Notre choix s'est arrêté sur des systèmes de sondes appelées CTD ou STD pour Conductivité/Salinité-Température-Pression. Ces capteurs, développés au départ pour l'océanographie, sont aujourd'hui très souvent employés dans les études hydrogéologiques. Ils permettent de faire l'acquisition simultanée de trois paramètres : la conductivité ou salinité, la température et la pression.

Les CTD Diver développées par la société Eijkelkamp nous sont apparues les plus adaptées aux contraintes posées par les sites. Ces sondes entièrement autonomes et d'une taille minime (Ø : 22 mm, L : 180 mm) sont capables d'enregistrer une importante gamme de conductivité (0 à 80 mS/cm) et cumulent un capteur de température et de pression absolue. Une sonde barométrique TD Diver placée en surface permet d'enregistrer les variations de la pression atmosphérique et de corriger la mesure de pression faite par la CTD, afin d'obtenir la valeur de la pression relative de la colonne d'eau mesurée.

Une sonde CTD et sa sonde barométrique associée ont été installées sur chaque source suivie.