Stations à vitesse témoin

Lorsqu’il n’existe pas de relation univoque entre la hauteur et le débit (notamment dans

les chenaux régulés par des ouvrages de navigation ou les cours d’eau sujets aux marées), il

CHAPITRE 3. L’HYDROMÉTRIE OPÉRATIONNELLE

est nécessaire de recourir à la mesure d’une grandeur supplémentaire comme une vitesse dite

témoin (Levesque et Oberg, 2012).

Il s’agit généralement de stations à ultra-sons à temps de transit ou de stations à effet Doppler.

Ces stations nécessitent également la réalisation de jaugeages pour caler les paramètres des lois

de transformation de la vitesse mesurée en vitesse débitante.

Stations ultrason à temps de transit

Cette technique s’appuie sur la mesure de la durée du trajet (ou temps de transit)

d’im-pulsions ultrasonores traversant la rivière entre deux sondes et selon un angle par rapport au

courant. La vitesse de l’eau est déduite du temps de transit de l’onde. Un ou plusieurs

co-efficient(s) de correction permet(tent) de relier la vitesse mesurée à la vitesse débitante. Un

profil bathymétrique de la section de rivière est nécessaire afin d’estimer la surface de la section

débitante au moyen de la mesure de la hauteur d’eau (Audinet, 1995; Forrayet al., 1998; ISO,

2005c). Sa géométrie doit donc être stable dans le temps. Le débit est alors obtenu comme le

produit de la vitesse débitante par la surface mouillée.

Afin que la vitesse mesurée soit bien représentative de la vitesse débitante de l’écoulement,

le bief doit être le plus rectiligne possible.

Stations à effet Doppler (H-ADCP et radar de surface)

Les stations à effet Doppler sont issues de l’adaptation des ADCP au contrôle de débit

(Le Coz et al., 2008). En général, le capteur est disposé de manière à envoyer les ondes

acous-tiques horizontalement en direction de la berge, comme illustré par la figure 3.11a. Les capteurs

utilisés sont des profileurs acoustiques Doppler horizontaux ou Horizontal Acoustic Doppler

Current Profiler (H-ADCP) (e.g. Nihei et Kimizu, 2008; Hoitink et al., 2009; Hidayat et al.,

2011). Compte tenu de l’angle d’ouverture du faisceau d’onde, la mesure des vitesses est partielle

et il est nécessaire de recourir à des extrapolations des vitesses sur la zone non explorée (Hauet,

2006). De ce fait, ce système n’est pas adapté pour les mesures de débit dans les rivières larges

et peu profondes en raison d’un risque de réflexion de l’onde sur la surface ou sur le fond. Le lien

entre vitesses mesurées et la vitesse débitante nécessite le calage de paramètres via des jaugeages

et la surface mouillée doit être estimée (Garcia-Aznar, 2014) comme pour les stations à ultrason.

Un autre type de station se base sur la mesure de la vitesse par un capteur de type radar

fonctionnant selon le principe de l’effet Doppler (Costa et al., 2006). Le capteur peut être fixé

sur un pont comme illustré à la figure 3.11b. Selon la distance par rapport à la surface de

l’eau et l’angle d’inclinaison de l’appareil, celui-ci estime la vitesse sur une zone plus ou moins

grande. Comme pour les autres méthodes à vitesse témoin, la vitesse débitante est estimée à

partir de la vitesse mesurée grâce à des paramètres calés via des jaugeages.

(a) (b)

Figure3.11 – (a) Un H-ADCP hors de l’eau fixé sur un rail. (b) Un radar déployé depuis une

passerelle. Sources : Hydro International et Flow-Tronic S.A.

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Les incertitudes en hydrométrie

L’hydrométrie opérationnelle permet de générer ponctuellement ou au cours du temps des

estimations de débit. Elle nécessite la mesure de plusieurs variables. Comme toute mesure,

l’estimation du débit est entachée d’erreurs, qui, malgré les évolutions récentes de la discipline,

sont inévitables.

Les enjeux des disciplines nécessitant des données hydrométriques évoluent constamment et il

apparaît primordial de connaître la qualité de l’estimation du débit. L’analyse d’incertitude est

la seule méthode objective permettant de quantifier cette qualité.

Les travaux portant sur l’estimation des incertitudes de mesure sont relativement récents.

D’une part, l’intérêt des incertitudes n’est apparu qu’au milieu du XXème siècle et d’autre

part, il aura fallu attendre le milieu des années 1990 pour voir apparaître un premier cadre

normatif faisant consensus.

Ce chapitre présente d’abord les principes généraux de l’analyse d’incertitude (section 4.1),

les méthodes courantes d’estimation d’incertitude (section 4.2) puis les sources d’incertitude

des estimations de débit (section 4.3). Enfin l’impact des incertitudes de débit sur les

pro-blématiques de gestion des ressources en eau (section 4.4) soulignera l’importance du travail

d’analyse d’incertitude.

4.1 Incertitudes : généralités

En métrologie, l’analyse de l’incertitude est une technique qui permet selon le Vocabulaire

International de Métrologie (JCGM, 2008c) de caractériser «la dispersion des valeurs attribuées

à un mesurande, à partir des informations utilisées ». En l’absence de biais (erreur

systéma-tique), elle définit un intervalle autour de la valeur mesurée qui inclut la valeur vraie avec une

probabilité plus ou moins grande. Ainsi, lorsque l’on rend compte du résultat d’un mesurage,

l’incertitude associée doit pouvoir donner une information quantitative sur la qualité du

résul-tat de manière à ce que l’utilisateur de la donnée puisse estimer sa fiabilité. L’incertitude d’une

mesure permet ainsi de quantifier la justesse et la fidélité d’une mesure (se référer à l’annexe A

pour la définition de ces termes). L’affectation d’une incertitude aux résultats de mesure permet

de les comparer soit entre eux, soit par rapport à des valeurs de référence (étalon, limite ou

consigne).

En complément, le lecteur est invité à consulter l’annexe A pour trouver des définitions

com-plémentaires portant sur la métrologie.

a permis de poser les premiers principes de l’évaluation des incertitudes (sous sa version

révi-sée : JCGM, 2008a). Ce guide, commandité par le Comité International des Poids et Mesures

(CIPM), la plus haute autorité mondiale en métrologie, a permis de définir un cadre faisant

consensus au niveau international. Il décrit la méthode de référence de propagation analytique

des incertitudes (section 4.2.1). L’approche numérique des simulations de Monte-Carlo, décrite

dans la section 4.2.2, pour la propagation des incertitudes a ensuite fait l’objet d’un supplément

au GUM (JCGM, 2008b). On retrouve ces méthodes dans les recommandations duHydrometric

Uncertainty Guidance (HUG - ou GUM appliqué à l’hydrométrie) (ISO, 2007c) qui transpose

les lignes directrices du GUM au domaine de l’hydrométrie.

Enfin, des travaux complémentaires ont été menés pour développer des méthodes

alterna-tives lorsque la modélisation du processus de mesure est impossible. C’est le cas de la méthode

d’estimation de la justesse et de la fidélité des méthodes de mesure, formalisée dans le cadre

des comparaisons dites interlaboratoires (ISO, 1994a) et présentée dans la partie 4.2.3.

4.1.1 Hiérarchie des erreurs et contribution à l’incertitude de mesure

Dans le document Incertitude des mesures de débit des cours d’eau au courantomètre. Amélioration des méthodes analytiques et apports des essais interlaboratoires (Page 51-55)