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Méthodes pour la mesure de la bathymétrie en canal expérimental et en rivière

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Academic year: 2022

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HAL Id: hal-02601501

https://hal.inrae.fr/hal-02601501

Submitted on 16 May 2020

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Méthodes pour la mesure de la bathymétrie en canal expérimental et en rivière

A. Buffet

To cite this version:

A. Buffet. Méthodes pour la mesure de la bathymétrie en canal expérimental et en rivière. Sciences de l’environnement. 2015. �hal-02601501�

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Rapport d’alternance

Méthodes pour la mesure de la bathymétrie en canal expérimental et en rivière

Licence professionnel Conseiller Technique en Hydraulique 2014-2015

Alternant : Alexis Buffet

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Remerciements

J'adresse tous mes remerciements à l'équipe métrologie pour m'avoir confié ce stage et avoir placé sa confiance en moi quant à la bonne réussite du projet ainsi que pour m'avoir aidé et conseillé tout

au long de l'année pour mener à bien mes différentes missions.

J'adresse ma gratitude à Fabien Thollet pour son soutien et son implication dans mon stage ainsi que pour sa bonne humeur au travail.

Je tiens à remercier toute l'équipe hydrologie hydraulique pour m'avoir accueillie chaleureusement, et principalement Céline Berni et Emeline Perret pour leur sympathie et leur bienveillance lors de

manipulations avec elles.

Je remercie également Théo Vischel, tuteur de stage pour être venu me rendre visite, d'avoir pris le temps de découvrir mon sujet de stage et de s'être grandement intéressé à celui-ci ainsi qu'à son

contexte.

Enfin je remercie infiniment Guillaume Dramais, mon maître de stage, pour m'avoir accompagné durant toute la durée du stage, pour m'avoir impliqué dans la recherche au sein d'Irstea et d'avoir

pris le temps d'échanger longuement avec moi pour mener à bien mon stage.

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Sommaire

Liste des abréviations ... 4

Liste des figures ... 5

Introduction ... 6

I. Contexte de l’alternance ... 7

A. Les centres d’apprentissages ... 7

1. Université Joseph Fourrier ... 7

2. CFPPA ... 7

B. Irstea ... 7

1. L’institut ... 7

2. Le centre Lyon Villeurbanne ... 8

3. L’unité de recherche Hydrologie Hydraulique ... 9

4. L’équipe métrologie et mon intégration dans l’équipe ... 10

II. Installations pour la bathymétrie et maintenance d’un canal expérimental ... 12

A. Informations sur le canal ... 12

1. Le hall hydraulique ... 12

2. Description des canaux ... 12

3. Les manipulations sur le canal inclinable ... 14

4. Les capteurs ... 15

5. Présentation du capteur installé... 16

B. Développements de programmes LabVIEW ... 16

1. Modifications des programmes existants ... 16

2. Scanner laser ... 16

3. Protocoles ... 17

C. Installation d’un capteur pour la bathymétrie ... 17

1. Scanner laser ... 17

2. Résultats ... 18

III. Intégration d’un sondeur dans la chaine de mesure de bathymétrie ... 21

A. Présentation des instruments de mesures pour la bathymétrie ... 21

1. Tachéomètre ... 21

2. ADPC ... 22

3. Sondeur ... 23

4. GPS ... 23

B. Protocole de mesure ... 24

1. Objectif scientifique ... 24

2. Sites de mesures ... 25

3. Couplage d’instruments ... 27

C. Traitement de données ... 28

1. Comparaison bathymétries Irstea et CNR confluence Rhône-Isère ... 28

2. Sondeur et ADCP confluence Rhône-Isère ... 29

3. Amazone ... 31

Conclusion ... 34

Bibliographie ... 35

Annexes ... 36

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Liste des abréviations

ADCP: Acoustic Doppler Courant Profiler ADV: Acoustic Doppler Velocimeter

BDOH: Base de Données pour les Observations en Hydrologie CFPPA: Centre de Formation Professionnel et de Promotion Agricole CNR: Compagnie National du Rhône

CTH: Conseiller Technique en Hydraulique GPS: Global Positioning System

GSM : Global System for Mobile communications HH: Hydrologie Hydraulique

IGN: Institut Géographique National

LSPIV: Large Scale Particle Image Velocimetry PIV: Particule Image Velocimetry

RGF: Repère Géodésique Français RGP: Réseau GPS Permanent UJF: Université Joseph Fourrier US: Ultrason

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Liste des figures

Figure 1: Irstea en France ... 8

Figure 2 : Organigramme du centre Irstea de Lyon ... 9

Figure 3: Schéma d’utilisation des différentes bâches d’eau (source Irstea) ... 13

Figure 4: Banc de mesure automatisé ... 14

Figure 5: Représentation de l’écoulement sur un fond trapézoïdal ... 15

Figure 6: Scanner installé parallèle à l’axe Y ... 18

Figure 7: Evolution du transect à 5m à t = 0 min (a) ; t = 20 min (b) ; t = 100 min (c) ; t = 200 min (d) 19 Figure 8: Différence entre une mesure sans eau (gauche) et avec eau (droite) ... 20

Figure 9: Tachéomètre déployé en Ardèche en novembre 2014 ... 22

Figure 10: ADCP RDI Instrument 4 faisceaux ... 22

Figure 11: Différence entre les fréquences d’un sondeur (source techboat.com) ... 23

Figure 12: Antenne GPS Leica 1200 installée sur une potence dans un bateau ... 24

Figure 13: Lieux de la confluence entre le Rhône et l’Isère (Google maps) ... 25

Figure 14: Profil en long de l’Isère (Google earth) ... 26

Figure 15a : Itacoatiara au Brésil (Google maps) ... 26

Figure 16: Bateau avec les instruments de mesures installés ... 27

Figure 17: Altitude du fond de l’Isère avec les différents instruments ... 28

Figure 18: Comparaison entre L’ADCP et le sondeur sur un profil en long ... 29

Figure 19: Ecart entre l’ADCP et le sondeur par rapport à l’ADCP en fonction de la distance ... 30

Figure 20: Ecart entre l’ADCP et le sondeur par rapport à l’ADCP en fonction de la profondeur ... 30

Figure 21: Profil détaillé dans cette partie (entouré en rouge) ... 32

Figure 22: Profil en long de l’Amazone ... 32

Tableau 1 : Les différentes problématiques scientifiques avec les différents intervenants et lieux .... 11

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Introduction

Ce rapport traite des différentes méthodes de mesure de la bathymétrie dans le cadre de la recherche à Irstea (Institut national de Recherche en Sciences et Technologies pour l’Environnement et l’Agriculture). La bathymétrie est la science de la mesure des profondeurs des cours d’eau et des océans pour déterminer la topographie du sol. En rivière elle permet d’étudier la morphologie pour l’opérationnel : navigabilité, modélisation du risque inondation. Pour cela, les chercheurs mènent des études sur le fonctionnement hydraulique, hydrologique et sédimentaire liées aux cours d’eau en reliant les modélisations expérimentales, les modélisations numériques ainsi que les mesures de terrain.

Au sein de ce laboratoire, j’ai rejoint l’équipe métrologie qui réalise des missions d’appui aux chercheurs pour la réalisation de mesures de terrain, pour la mise en œuvre technique des modélisations expérimentales en laboratoire et pour la mise à disposition de données validées. En lien avec la problématique de la mesure de la bathymétrie, j’ai participé à tous ces aspects. J’ai pu réaliser de nombreuses mesures sur le terrain et installer et mettre au point des outils techniques pour faire des mesures dans un canal hydraulique pour simuler des écoulements torrentiels

Ainsi ce rapport présente successivement ces deux aspects et les objectifs scientifiques associés aux mesures réalisées. La première partie traite principalement de l’installation d’un scanner pour la bathymétrie dans un canal expérimentale. La seconde partie décrit les différentes mesures bathymétriques que j’ai mises en place durant l’année écoulée à Irstea ainsi que l'exploitation de données réalisées par l'équipe métrologie pour la caractérisation d’un sondeur.

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I. Contexte de l’alternance

A. Les centres d’apprentissages

1. Université Joseph Fourrier

L’UJF se trouve sur le campus de Saint Martin d’Hères à côté de Grenoble. Elle permet l’apprentissage des sciences et technologies, la santé ainsi que les sciences humaines et sociales.

L’UJF nous a permis de réaliser la formation Conseiller Technique en Hydraulique (CTH) qui aborde le domaine de l’hydraulique à surface libre et en charge, les techniques d’aménagement des réseaux et des rivières ainsi que les outils informatiques dédiés spécifiquement à l'hydraulique, à l'analyse et l'association d'informations spatialisées (SIG) et à l'implantation d'ouvrages techniques (CAO, topographie).

2. CFPPA

Le Centre de Formation Professionnel et de Promotion Agricole se situe à La Côte Saint André. Il collabore avec l’UJF pour réaliser la licence CTH. Des outils informatiques et une salle de classe sont mis à notre disposition pour nous aider à accomplir notre licence.

B. Irstea

1. L’institut

Irstea, l’Institut national de Recherche en Sciences et Technologie pour l’Environnement et l’Agriculture a été créé en 1971. A cette époque, il s’appelait le Centre national d’Etudes Techniques et de Recherches Technologiques pour l’Agriculture, les Forêts et l’Equipement Rural (CERAFER). Les études couvraient des domaines très variés comme l’agriculture en montagne, le suivi des innovations techniques, les problèmes liés à l’utilisation ou la maîtrise de l'eau. Puis, en 1973, il est devenu le Centre Technique du Génie Rural des Eaux et des Forêts (CTGREF).

En 1982, l’Institut devient un Etablissement Public à caractère Administratif et est sous la tutelle du ministère de l’agriculture. Il devient à cette occasion le CEntre national du Machinisme Agricole du Génie Rural, des Eaux et des Forêts (CEMAGREF). Dès 1986, il devient un établissement public à caractère scientifique et technologique sous la double tutelle des ministères de l’agriculture et de la recherche.

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implanté Irstea et les différents thèmes de recherche abordés à Lyon avec les collaborateurs sur ces thèmes de recherches.

Figure 1: Irstea en France

2. Le centre Lyon Villeurbanne

Le site de Lyon où je suis basé est composé de deux unités de recherche local auxquelles s’ajoute une unité qui se trouve à Strasbourg. Ces unités sont représentées par l’organigramme en figure 2.

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Figure 2 : Organigramme du centre Irstea de Lyon

3. L’unité de recherche Hydrologie Hydraulique

L’unité Hydrologie - Hydraulique mène des recherches sur les bassins versants, pour mieux gérer les ressources en eau et les risques liés aux inondations et aux sécheresses.

Ces recherches privilégient la connaissance des eaux superficielles à partir de la modélisation couplée des régimes hydrologiques et de l’hydraulique des écoulements en rivières, et d’études expérimentales en laboratoire.

Elles s’intéressent par ailleurs à une modélisation des pluies et des processus hydrologiques à petite échelle pour une représentation spatialisée des transferts d’eaux, de sédiments et de solutés. Les méthodes et les outils élaborés apportent des réponses aux demandes sociales, parfois contradictoires, liées aux usages de l’eau, à la protection contre les événements extrêmes et à la qualité des hydrosystèmes.

Les différentes questions traitées concernent la prévision des crues ; la lutte contre les inondations et les sécheresses ; le dimensionnement des aménagements ; l’entretien et la gestion du lit des rivières;

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4. L’équipe métrologie et mon intégration dans l’équipe

J’ai intégré l’équipe métrologie qui est une équipe d’appui aux chercheurs de l’unité de recherche Hydrologie Hydraulique (HH). Les activités des cinq membres de cette équipe sont basées sur la métrologie environnementale spécifique aux laboratoires et au terrain.

Les besoins des chercheurs sont divers, les applications sont donc nombreuses et variées dans cette équipe. Le tableau 1 page suivante permet de voir les différentes problématiques scientifiques sur différents sites expérimentaux situés en Rhône-Alpes. Toutes ces problématiques nécessitent beaucoup de moyens techniques. Ainsi de nombreuses stations de suivi des cours d’eau ont été installées sur différents bassins versants. Ces stations permettent de caractériser au cours du temps les cours d’eau grâce aux capteurs qui ont été installés tels que des turbidimètres, des capteurs de hauteur d’eau, des caméras. Toutes les données enregistrées sont transférées via le réseau téléphonique vers le centre d’Irstea où elles sont traitées par l’équipe métrologie.

Le déploiement de ces capteurs nécessite beaucoup d’interventions de maintenance d’une part (étalonnage, nettoyage), et des campagnes de mesures complémentaires (topo, bathymétrie…) d’autre part.

La démarche qualité mise en place dans l’équipe permet une bonne traçabilité des mesures, des protocoles et des savoir-faire de l’équipe. La base de données pour les observatoires en hydrologie (BDOH) permet la bancarisation et le partage des données issues des observatoires de terrain de long terme.

L’activité de l’équipe ne se résume pas uniquement aux activités sur le terrain. En effet, le centre Irstea de Lyon dispose d’un laboratoire d’hydraulique expérimental, appelé hall hydraulique qui demande un appui technique important.

Au cours de mon alternance, j’ai pu découvrir les missions de l’équipe métrologie à la fois sur le terrain et en laboratoire et prendre part à un grand nombre de ses activités.

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Tableau 1 : Les différentes problématiques scientifiques avec les différents intervenants et lieux

Site et Localisation Problématique scientifique

Principaux Responsables techniques et scientifiques

Partenaires

Rivières du bassin de l’Yzeron (69)

Bassin péri-urbain de recherche. Impact qualitatif et quantitatif du développement urbain sur l'hydrologie de rivière

Mickaël Lagouy

OTHU / UMR 5600 Flora Branger -

Pascal Breil

L'Arc Isère (73)

Étude de la formation des bancs de galets et suivi du transport sédimentaire (suspension et charriage)

Fabien Thollet

LTHE / EDF / SPM / ZABR /Dreal

RA /Université de Savoie Benoît Camenen

Laboratoire d'hydraulique et d'hydromorphologie à Villeurbanne (69)

Modélisation physique en canal Débordement des cours d’eau, colmatage des lits de rivière, inondations en ville

Fabien Thollet Projet ANR Floodscale Sébastien

Proust - Céline Berni

LMFA - IMFT - LNHE - LNEC - UiA - UCL SPW - IST

Bassin de l'Ardèche (07)

Débitmétrie par vidéo.

Extrapolation des courbes de tarage aux forts débits non jaugeables (crues éclairs cévenoles)

Guillaume

Dramais Projet ANR Floodscale

Jérôme Le Coz OHMCV / CNR /Dreal RA / SPC-GD / LTHE

Rhône et affluents

Débitmétrie par ADCP.

Suivi et analyse de matière en suspension

Chloé Le Bescond -

Fabien Thollet -

Mickaël Lagouy - OHMCV / OSR /CNR / EDF /CEREGE /IRSN Guillaume

Dramais Jérome Le Coz

Lônes de l’Ain (01)

Suivi piézométrique de la nappe

d’accompagnement de l’Ain

Guillaume Dramais

SBVA Jérôme Le Coz

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II. Installations pour la bathymétrie et maintenance d’un canal expérimental

A. Informations sur le canal

1. Le hall hydraulique

Le laboratoire d’hydraulique du centre Irstea de Lyon dispose de plusieurs modèles pour caractériser les écoulements en rivière :

- un canal (dit « canal large ») de 3 m de large, 18 m de long, 80 cm de profond, à pente fixe de 1/1000,

- un canal inclinable de 1 m de large, 18 m de long, 85 cm de profond, avec une pente variant de 0%

à 5%,

- un canal de pollution diffuse de 8 m de long, 0.4 m de large pour l’étude des transferts et de la rétention des phytosanitaires au sein de divers substrats. Celui-ci est utilisé par des chercheurs de 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.

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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.

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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.

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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.

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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.

B. Développements de programmes LabVIEW

1. Modifications des programmes existants

LabVIEW est un logiciel de programmation graphique. Lors de mon arrivée des programmes étaient déjà utilisés pour l’acquisition des signaux analogiques de capteurs. Un cahier des charges a été élaboré en concertation avec les chercheurs pour les améliorer et permettre de :

- Déplacer les capteurs automatiquement en suivant un fichier de maillage.

- Enregistrer les données dans deux fichiers différents, l’un détaillé, l’autre moyenné.

Pour le premier point j’ai pu m’inspirer d’un programme existant sur le canal large en résolvant en particulier des problèmes de connexion avec l’automate. Ainsi un module OPC server pour LabVIEW a été installé et la liaison entre le logiciel et l’automate a pu être paramétrée. Tous deux communiquent par une liaison Ethernet et les variables de l’automate sont définies sur l’ordinateur grâce à ce module.

2. Scanner laser

Pour le scanner un programme a été développé. Ses mesures ne se font pas en même temps que les autres capteurs car il ne fonctionne peu ou pas du tout à travers l’eau (suivant sa concentration en sédiments). Les mesures sont donc réalisées en début et en fin d’expérience pour suivre l’évolution du lit.

L’intégration dans LabVIEW des mesures a été guidée par micro-epsilon, le fabriquant du scanner, qui a déjà réalisé un programme permettant de faire fonctionner le scanner. Je me suis donc basé sur leur programme que j’ai complété par rapport aux attentes des chercheurs. Il a été nécessaire de rajouter dans ce programme (comme précédemment) le déplacement de l’automate et l’enregistrement des données.

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3. Protocoles

Le développement de ces programmes s’est accompagné de la rédaction de protocoles pour décrire le fonctionnement pour les utilisateurs avec l’appui de plusieurs personnes. Une première personne qui utilise couramment les programmes mais qui ne connaît pas l’environnement de programmation LabVIEW, une deuxième personne qui connaît bien LabVIEW mais qui n’a jamais réalisé de mesure avec ces programmes et une troisième personne qui ne connaît pas LabVIEW et qui ne l’a jamais utilisé.

Dans un protocole sont décrits le fonctionnement du programme, comment le lancer et créer les fichiers nécessaires à son fonctionnement, et comment récupérer et traiter les données. Le protocole qui explique l’utilisation du programme pour l’acquisition de signaux analogiques sur le canal inclinable est disponible en Annexe 2. Durant l’année j’ai pu réaliser d’autres protocoles sur des capteurs. Deux d’entre eux sont présentés en Annexe 3 et 4, d’autres sont encore en cours de rédaction.

C. Installation d’un capteur pour la bathymétrie

1. Scanner laser

La résolution du profil en largeur que permet d’obtenir le scanner laser s’étend de 45.7 µm à 112.1 µm et cela sur une largeur comprise entre 58.5 mm et 143.5 mm suivant la hauteur à laquelle est positionné le scanner par rapport à la surface à mesurer. Le but étant de réaliser des profils en travers en 3D, il est intéressant d’avoir environ la même résolution dans les trois axes. Le banc de mesure est capable d’être aussi précis (1 µm) mais il met beaucoup de temps pour stabiliser sa position. Il faudrait attendre 3 s pour chaque mesure pour être sûr de ne pas faire d’erreur. Le canal faisant 1 m de large, si on choisit une résolution de 100 µm il faudrait t = 1000000/100*3 = 30000 s.

C’est-à-dire 500 min pour mesurer une surface de l’ordre de 0.1 m² ! Il a donc été nécessaire de trouver une solution qui permette de faire des profils en travers plus rapidement. Il est nécessaire que l’on connaisse l’endroit précis où chacune des données a été prise. Plusieurs solutions ont été envisagées tout en remplissant ce critère :

- Récupérer les données de positions de l’automate aux instants où une mesure est faite.

- Faire avancer l’automate à une vitesse constante pour permettre au scanner (qui a une fréquence de 25 Hz) de faire une mesure tous les 100 µm (par exemple).

- Installer un codeur compatible avec le scanner. Un codeur est un capteur de position. Il permet d’envoyer une impulsion électrique dès qu’il avance de 100 µm (par exemple).

La première solution, la plus simple n’est pas réalisable à cause des propriétés l’automate qui ne renvoie sa position que toutes les 150 ms en moyenne. De plus il s’agit d’une moyenne, cette fréquence n’est pas fixe, probablement à cause des calculs qui sont faits plus ou moins vite suivant

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à faible vitesse (1 cm/s) et en enregistrant ses positions en fonction du temps. En traçant un graphe de la distance parcourue en fonction du temps j’ai pu remarquer que la vitesse n’est pas constante.

Elle varie légèrement ce qui nous empêche par de simples calculs de retrouver la position exacte des mesures entre deux positions exactes transmises par l’automate.

La solution retenue est donc d’installer un codeur. Le codeur choisi est un codeur linéaire incrémental magnétique de la marque Baumer pour lequel j’ai réalisé un comparatif des matériels disponibles sur le marché en tenant compte des caractéristiques attendues par les chercheurs. Ce codeur envoie une impulsion électrique au scanner tous les 25 µm pour déclencher une mesure. Le pas du codeur est de 25 µm, il est mesuré grâce à une bande magnétique au-dessus de laquelle il circule. Cette solution est plus compliquée techniquement à mettre en place mais la fiabilité de la mesure est garantie. La mise en place de ce codeur est en cours de finalisation ainsi que la construction du programme LabVIEW pour le pilotage de l’ensemble scanner-codeur-automate et devrait être effective fin juillet 2015.

Néanmoins des mesures ont déjà été réalisées avec le scanner. Pour combler le manque de précision et de rapidité de l’automate nous avons réalisé des profils en travers en 2D. Le scanner a été installé comme présenté sur la figure 6. Ainsi des transects sont réalisés tous les 10 cm. Avec un temps d’attente de 3 s par point, le temps pour que l’automate se stabilise précisément, le transect est réalisé en moins d’une minute.

Figure 6: Scanner installé sur le charriot de mesure

Ces mesures ont été réalisées sur un fond en sable. Le lit était disposé comme sur la figure 4. Le but était de caractériser l’évolution du lit dans le temps avec un débit constant. Pour suivre l’évolution de la morphologie du lit, des interruptions du débit ont été faites à 20 min et 100 min pour une manipulation totale de 200 min.

Les résultats de cette manipulation sont présentés dans la partie II.B.3 Résultats.

2. Résultats

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Les données de la manipulation avec le scanner ont été acquises via LabVIEW et enregistrées en format texte. Cela a permis de traiter les données ensuite grâce à Matlab. Un programme a été créé permettant de sélectionner uniquement les données à des points très précis et de les assembler pour visualiser le profil en travers souhaité. La figure 7 présente ces résultats. L’axe des abscisses est la distance parcourue en mm depuis une position précise et l’axe des ordonnées la distance entre le scanner et le fond en millimètre. Les couleurs sur les graphes de cette partie représentent chacune des positions où des mesures ont été faites avec le scanner. Elles ont été mises côte à côte pour avoir la vision de l’ensemble du transect sur un seul graphe. On peut donc voir 8 positions pour un profil, avec 5 s d’attente entre deux positions, 40 s étaient nécessaires pour faire un profil ce qui est très satisfaisant.

Figure 7: Evolution du transect à 5m à t = 0 min (a) ; t = 20 min (b) ; t = 100 min (c) ; t = 200 min (d)

La figure 7 permet d’illustrer l’évolution du lit en fonction du temps. Le lit s’ordonne lentement de façon à créer des petits chenaux : il s’incise par endroit et des dunes de sable se déposent à d’autres endroits.

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Figure 8: Comparaison entre une mesure bathymétrique sans eau (gauche) et avec eau (droite)

Des essais de mesures bathymétriques avec ou sans eau ont été réalisés (figure 8). On voit que la bathymétrie est bien décrite dans les deux cas mais l’amplitude diffère. Ceci est causé par le changement d’indice de réfraction entre l’air et l’eau et que l’eau a un indice de propagation des ondes lumineuses différent de celui de l’air. La mesure bathymétrique au travers d’un écoulement semble donc possible mais cela nécessite de prendre en compte les phénomènes optiques en jeu en mesurant la hauteur de l’eau et en réalisant une courbe de conversion de la distance lorsque le faisceau traverse l’eau.

Un autre facteur intervient pour faire des mesures au travers de l’eau : la turbidité. La mesure de la figure 8 a été faite avec de l’eau stagnante, mais lorsque l’eau est en mouvement et transporte des sédiments elle devient sans doute bien plus compliquée car la lumière se disperse à cause de la densité des sédiments et l’onde lumineuse n’atteint plus le fond. Il est nécessaire que l’eau soit relativement calme et qu’il n’y ait pas trop de sédiments en suspension pour accomplir ces mesures ce qui n’est pas le cas dans la majeure partie des expériences à venir sur le canal inclinable (étude d’écoulements torrentiels). Les mesures de bathymétrie devront donc être réalisées de manière séquentielle entre deux écoulements.

Conclusion de la partie

Cette première partie de présentation de mon travail a permis de comprendre les travaux réalisés à Irstea dans le hall hydraulique. La démarche scientifique de l’unité HH est basée sur une approche en trois volets complémentaires : le modèle expérimental, le modèle numérique, et les données de terrain. Après avoir vu le modèle expérimental qui permet de caractériser le flux sédimentaire en conditions contrôlées dans cette partie, nous allons maintenant passer à la seconde activité principale de l’équipe métrologie, les mesures de terrain qui sont nécessaires aux chercheurs pour comprendre la complexité des phénomènes naturels.

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III. Intégration d’un sondeur dans la chaine de mesure de bathymétrie

Dans cette partie nous verrons dans un premier temps les instruments que j’ai appris à utiliser au sein de l’équipe métrologie pour la mesure de la bathymétrie. Ensuite le protocole sera exposé pour comprendre les différentes manipulations réalisées et les sites de mesures. Pour finir nous verrons le traitement de données pour l’intégration d’un sondeur dans la chaîne de mesure de l’équipe.

A. Présentation des instruments de mesures pour la bathymétrie

1. Tachéomètre

Le tachéomètre est un appareil fréquemment utilisé en topographie dans toutes les opérations de lever de terrain. En hydraulique il permet de réaliser rapidement des mesures de bathymétrie dans les trois dimensions.

Le tachéomètre (figure 9) est un instrument de mesure comparable au théodolite qui dispose de capteurs permettant de mesurer des angles horizontaux et verticaux pour déterminer des directions, et mesure en plus les distances.

La mesure de distance est réalisée grâce à un télémètre à visée infrarouge intégré dans le tachéomètre. La mesure se fait à l'aide d'un prisme catoptrique, placé à la verticale du point que l'on souhaite mesurer à l'aide d'une nivelle sphérique.

L’appareil permet de stocker dans une carte mémoire les mesures effectuées sur le terrain, pour les transférer et les traiter ensuite par ordinateur.

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Figure 9: Tachéomètre déployé en Ardèche en novembre 2014

2. ADPC

Un ADCP est un Acoustic Doppler Courant Profiler (figure 10). Il fonctionne avec le même principe que l’ADV du canal inclinable, l’effet doppler. Originellement il permet de mesurer la vitesse du courant en utilisant la propagation et la réflexion des ondes acoustiques sur les particules en suspension dans l’eau. Il dispose de quatre faisceaux inclinés de 20° par rapport à la verticale pour déterminer les composantes horizontales et verticales de la vitesse.

Il émet deux types d’impulsion : une pour mesurer le déplacement de l’eau, l’autre pour mesurer la profondeur et son déplacement par rapport au fond (supposé immobile). Avec ces deux mesures on peut calculer le débit du cours d’eau. L’impulsion qui nous intéresse pour la bathymétrie est la seconde. Elle permet d’obtenir la profondeur du lit moyenné par les quatre faisceaux de l’ADCP.

Figure 10: ADCP RDI Instrument 4 faisceaux

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3. Sondeur

Le sondeur a été acquis pour réaliser des mesures bathymétriques sur l’Amazone durant l’été 2014. Il a permis d’avoir une visualisation en direct du fond de la rivière et d’obtenir des données de profondeur du lit. Pour cela il envoie un ultrason à deux fréquences différentes (200 kHz et 455 kHz) ce qui a une influence sur l’angle du cône d’émission du faisceau. Plus la fréquence est élevée plus le cône d’émission est petit. La figure 11 permet de comprendre qu’une fréquence plus élevée est meilleure pour la bathymétrie et une fréquence plus basse est meilleure pour la détection d’obstacles.

Un des objectifs lors de mon année d’alternance était de comparer les mesures du sondeur avec les autres mesures de bathymétrie pour définir si on peut l’intégrer dans notre chaîne de mesure et avec quelle fiabilité.

Figure 11: Différence entre les fréquences d’un sondeur (source techboat.com)

4. GPS

GPS signifie Global Positioning System. Il permet de se positionner dans le monde entier par rapport au référentiel WGS84. La position est déterminée par des satellites en orbite à 20 000 km. Ils envoient des ondes électromagnétiques et en fonction de leurs positions et du temps de réception

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GSM (Global System for Mobile communications) et les informations satellites américains et russes (GPS et GLONASS) et permet de transférer les coordonnées dans le référentiel national (RGF93 pour la géodésie et IGN69 pour l’altimétrie). De plus des stations RGP (réseau GPS permanent) sont installées partout en France pour améliorer la précision du GPS. Ces stations sont connues très précisément dans le référentiel national et permettent une autre triangulation du signal GPS. Grâce à cela on obtient une précision centimétrique en temps réel de nos mesures. La figure 12 illustre le GPS utilisé lors de nos manipulations.

Dans l’équipe le GPS nous permet de positionner des profils bathymétriques dans un repère connu (WGS84 ou RGF93) et éventuellement de suivre leurs évolutions dans le temps.

Figure 12: Antenne GPS Leica 1200 installée sur une potence dans un bateau

B. Protocole de mesure

1. Objectif scientifique

Ces instruments sont installés afin de caractériser les dimensions de la rivière qui sont importantes dans de nombreuses études en hydrologie et hydraulique en particulier pour faire de bonnes estimations du débit. Ainsi lors de mon alternance au sein de l’équipe métrologie nous avons réalisé plusieurs sorties pour connaître la bathymétrie sur plusieurs rivières.

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Une première sortie a été faite en novembre 2014 après les crues d’octobre en Ardèche. Ces données ont permis d’estimer le débit passé lors de ces crues grâce aux mesures réalisées et à l’analyse de films amateurs qui ont été pris lors d’événements majeurs. Ces films sont réalisés par des personnes qui partagent leurs vidéos d’un cours d’eau en crue sur internet. Grâce à la LSPIV (Large Scale Particle Image Velocimetry) qui utilise la corrélation entre les images, il est possible de déterminer la vitesse de surface. Sur ces films il est aussi possible de déterminer le niveau d’eau.

Ainsi après des calculs de vitesse moyenne, des mesures de points caractéristiques pour ortho rectifier les images et grâce à la bathymétrie, on peut déterminer le débit.

Une autre manipulation a été réalisée sur l’Isère début Avril dans le but de se préparer lors d’une future sortie en crue. Cela nous a aussi permis de comparer différents instruments de mesures. Cette comparaison est détaillée dans les parties suivantes.

2. Sites de mesures

Les sites de mesures choisis sont sur les bassins versants suivis par l’équipe métrologie. Les données qui seront présentées dans la partie III C correspondent à un seul site de mesure, à la confluence entre l’Isère et le Rhône. Les différents endroits précis de mesures sont présentés sur les figures 13 et 14 ci-dessous. La figure 13 représente le lieu de la confluence en France. La figure 14 est un profil en long de l’Isère jusqu’à la confluence avec le Rhône. Des mesures simultanées d’ADCP et du sondeur ont été réalisées afin de comparer ces deux outils.

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Figure 14: Trajet réalisé pour établir un profil en long de l’Isère à sa confluence avec le Rhône (Google earth)

D’autres données seront présentées sur le plus grand fleuve du monde : l’Amazone. Le site de mesure est présenté en figure 15, il se situe à l’Est de Itacoatiara au Brésil.

Figure 15a : Itacoatiara au Brésil (Google maps) Figure 15b : Trajet réalisé sur

l’Amazone (Google earth)

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La couleur des trois images précédentes représente la profondeur. La gamme n’est pas précise, elle varie en fonction de chacun des sites car les couleurs ont été réalisées en 30 classes en fonction de la différence entre le maximum et le minimum. Le maximum de profondeur correspond au rouge et le minimum au violet. Pour la figure 14 les profondeurs vont de 1 m à 4 m, pour la figure 14 elles vont de 2 m à 10 m et pour la figure 15 elles vont de 17 m à 64 m.

3. Couplage d’instruments

Le couplage d’instrument est utilisé pour synchroniser les mesures et ainsi améliorer la précision ou la rapidité des acquisitions. Pour cela on utilise au moins deux appareils en simultané. Par exemple le tachéomètre permet de prendre un grand nombre de points de mesure très rapidement, mais on se positionne uniquement en relatif par rapport à l’appareil. Prendre quelques points communs entre le GPS et le tachéomètre permet de repositionner le référentiel terrestre relatif dans le référentiel RGF93.

L’ADCP et le sondeur fonctionnent en simultané avec un GPS pour connaître la position de tous les points de mesure réalisés, ce qui est essentiel pour connaître la bathymétrie. L’essentiel pour que le couplage soit bien réalisé est la synchronisation entre ces instruments qui est effectuée par le logiciel WinRiver II.

Faire des mesures simultanées avec l’ADCP et le sondeur permet de comparer les deux mesures.

Dans notre cas cela va être très important pour vérifier les mesures du sondeur. On peut aussi coupler deux ADCP avec une fréquence différente pour ne pas qu’ils s’interfèrent. Cela peut permettre d’apporter des informations sur le transport solide.

Quant au GPS il est toujours utile pour faire de la bathymétrie. L’utiliser seul pour faire de nombreux points de mesure peut prendre beaucoup de temps et la couverture GPS n’est pas parfaite, il peut rapidement être compliqué d’obtenir des points précis lorsque l’on est proche d’arbres, de maison, falaises… Il est donc très utile de le coupler avec les autres instruments.

L’ensemble des capteurs de mesure est installé sur le bateau d’Irstea (figure 16).

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C. Traitement de données

1. Comparaison bathymétries Irstea et CNR confluence Rhône- Isère

Lors de la sortie début avril à la confluence Rhône-Isère nous avons réalisé plusieurs séries de mesures avec l’ADCP. La Compagnie Nationale du Rhône (CNR) a réalisé une étude sur l’Isère car ils ont des ouvrages hydroélectriques un peu plus en aval sur le Rhône. Ainsi nous avons réalisés des mesures aux endroits précis où la CNR en a aussi réalisé pour que nous puissions comparer nos données. Il s’agit du transect P22, ainsi nommé par la CNR. La figure 17 ci-dessous représente l’altitude du fond mesurée avec chacun des instruments. 1200 et 600 représentent deux ADCP différents. Ces nombres correspondent à leur fréquence de fonctionnement (en kHz).

Figure 17: Altitude du fond de l’Isère avec les différents instruments

On note une différence d’altitude très importante entre nos mesures et celles de la CNR. L’Isère est plutôt calme à cet endroit, mais un barrage se trouve sur le Rhône 4.5 km en aval de ce lieu. Cet écart (50 cm) peut donc être expliqué suivant deux hypothèses : une incision du lit de la rivière causé par l’influence du barrage ou une erreur de mesure. Nous sommes actuellement en train de chercher d’où provient cette différence d’altitude.

Le sondeur quant lui présente parfois des écarts assez importants ce qui s’explique par le fait que l’ADCP moyenne sur des faisceaux écartés de 20° par rapport à la verticale alors que le sondeur a un seul faisceau vertical avec peu de dispersion. Le sondeur détecte donc mieux les détails des variations de profondeur. L’objectif est de pouvoir utiliser le sondeur comme outil de bathymétrie en ayant des mesures fiables. Eventuellement il pourrait aussi permettre une mesure du fond lorsqu’il est mobile, car la fréquence du sondeur est plus petite que celle de l’ADCP ce qui augmente la pénétration du fond quand il est plus souple. On dit qu’un fond est souple lorsque qu’il est composé de vase ou de boues par exemple. Mais s’il est dur (fond en gravier par exemple) ce phénomène n’a

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pas lieu. Ce seul transect n’est pas suffisant pour en juger, il nous faut une distance plus longue et plus de variations bathymétriques pour conclure.

2. Sondeur et ADCP confluence Rhône-Isère

Pour mieux comparer ADCP et sondeur nous avons réalisé un profil en long de l’Isère sur 2 km (tracé figure 14). La figure 18 ci-dessous représente les données acquises en profondeur et en position.

Figure 18: Comparaison entre l’ADCP et le sondeur sur un profil en long

D’importantes variations de profondeur sont visibles sur ce profil en long : de 4m en amont et entre 8 m et 10 m en aval. Là où se forment ces creux l’écart entre les deux mesures est important (entre 0.5 m au mieux et 5 m au pire). Ces endroits sont situés au niveau des ponts et sont localisés par les flèches. Ceci s’explique par la perte de localisation des GPS. Les données de profondeur sont donc inexploitables à ces endroits pour comparer les mesures.

Comme décrits dans la partie III.C.1. le sondeur repère mieux les petites variations de hauteur que l’ADCP. La figure 19 représente l’écart entre l’ADCP et le sondeur en fonction de la profondeur de l’ADCP. Les données qui correspondent à la perte du signal GPS ont été retirées.

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Figure 19: Ecart entre l’ADCP et le sondeur par rapport à l’ADCP en fonction de la distance

On peut voir grâce à ce graphe que la profondeur donnée par le sondeur est en moyenne 4%

inférieure à celle de l’ADCP. L’écart type calculé sur ce jeu de données est aussi de 4%. J’ai ensuite regardé l’écart en fonction de la profondeur pour voir si elle avait une influence sur la fiabilité de la mesure. Les résultats sont sur la figure 20 ci-dessous.

Figure 20: Ecart entre l’ADCP et le sondeur par rapport à l’ADCP en fonction de la profondeur

On n’observe pas de tendance à l’augmentation (ou la diminution) de l’écart entre les deux mesures en fonction de la profondeur. Le manque de données au-delà de 8 mètres ne permet de conclure à un écart plus faible à partir de cette profondeur. Néanmoins l’écart est très concentré entre 0 % et -

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

0 500 1000 1500 2000 2500

% écart par rapport à l'ADCP

Distance (m) depuis lat 45.0017744 ; long 4.88404937

écart % moy écart

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15

0 2 4 6 8 10 12

écart %

profondeur (m)

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5 % quelle que soit la profondeur. On peut donc se demander si l’erreur n’est pas constante. Trois hypothèses peuvent expliquer cela :

- Comme expliqué dans la partie III.C.1. la fréquence du sondeur est plus faible que celle de l’ADCP ce qui augmente la pénétration du fond. Le sondeur pourrait « voir » le lit plus profondément que l’ADCP si une couche plus souple se trouve en dessus d’une couche dure.

- Une erreur de lecture de la hauteur d’enfoncement du capteur dans l’eau a pu être commise, un des capteurs se trouvait en réalité plus haut ou plus bas.

- Le bateau tangue lorsqu’on se déplace, il est donc possible que l’inclinaison que subissent les capteurs fasse varier les mesures. L’ADCP disposent de deux inclinomètres pour compenser cet effet d’inclinaison, pas le sondeur. En supposant que les capteurs tanguent de 15° et que le faisceau du sondeur soit une ligne, et avec un fond réel à 5 m de profondeur, la hauteur mesurée serait de : h = 5.17 m. Ce qui correspond à un écart de e% = 3.5 %. L’ordre de grandeur est le bon.

Des mesures complémentaires vont être nécessaires pour déterminer quelle est l’explication de l’écart entre ces mesures. Il sera ensuite possible d’effectuer une démarche pour le compenser.

3. Amazone

Les données acquises sur l’Amazone ont été réalisées l’été dernier. Le parcours réalisé se trouve dans la partie III.B.2. figure 15. Une partie plus précise sera présentée, elle correspond à la zone entourée ci-dessous en figure 21.

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Figure 21: Profil détaillé dans cette partie (entouré en rouge)

J’ai choisi de détailler ce profil en long car il est le plus grand et le plus rectiligne. Il permet donc de bien voir les dunes dans l’Amazone. Le graphe de ce profil est présenté en figure 21 :

Figure 22: Profil en long de l’Amazone

0 10 20 30 40 50 60 70

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

profondeur (m)

Distance (m)

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Dans ce graphe (figure 22) l’écoulement va de droite à gauche. Cela nous permet de voir l’incroyable taille des dunes de sable dans ce cours d’eau. On peut voir qu’elles font pratiquement 10 mètres de hauteur et entre 100 et 200 mètres de long.

Ces dunes peuvent être comparées (à une échelle bien différente) à celles vues lors de la manipulation présentée en II.B.3. avec le scanner. C’est un phénomène naturel qui s’opère dans le fond des rivières et dont les chercheurs essayent de caractériser le fonctionnement.

Conclusion de la partie

Cette partie a permis de découvrir le fonctionnement des manipulations de terrain réalisées lors de mon année au sein de l’équipe. L’objectif des résultats présentés était d’intégrer le sondeur dans notre chaîne de mesure pour la bathymétrie. En les analysant nous avons découvert que l’écart type des mesures peut s’expliquer de trois manières différentes (inclinaison des capteurs, différence de pénétration du fond, ou erreur de lecture de hauteur d’eau en dessus des capteurs) et nous ne sommes pas en mesure de certifier que la profondeur n’a pas d’impact sur la fiabilité de la mesure.

Nous en conclurons qu’il faut réaliser des essais supplémentaires pour utiliser le sondeur comme outil de bathymétrie. Ils devront, comme précédemment, être réalisés avec ADCP et sondeur pour comparer les mesures. Si possible nous choisirons une zone dégagée pour ne pas rencontrer de problèmes avec le GPS.

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Conclusion

Cette année d’alternance au sein d’Irstea a permis de m’impliquer dans une équipe de recherche et de contribuer à la modélisation expérimentale et aux mesures de terrain. J’ai pu m’intégrer dans l’équipe en installant plusieurs capteurs dans le canal inclinable. Bien que l’installation du scanner ne soit pas complètement terminée, la majeure partie nécessaire à l’installation a été faite. Quelques détails restent à régler mais des mesures pourront rapidement être faites avec ce nouvel instrument. Cela va permettre d’améliorer la précision pour caractériser le flux sédimentaire et réaliser des modèles numériques fiables.

La réalisation de mesures de terrain a permis de commencer à caractériser le sondeur. Les mesures de distance qu’il acquière sont encore à valider, il va falloir réaliser d’autres expériences pour savoir s’il a effectivement tendance à surestimer la profondeur à cause du tangage ou de la différence de pénétration du fond, ou si une erreur de lecture de hauteur d’enfoncement du capteur dans l’eau a été commise. Etant donné que les mesures faites par le sondeur permettent de repérer des variations de hauteur du lit plus finement que l’ADCP, il sera intéressant d’appliquer une correction aux mesures du sondeur s’il surestime la profondeur.

L’alternance a été pour moi une expérience très enrichissante. Cela permet une insertion dans le milieu professionnel tout en continuant à apprendre des matières théoriques. J’ai pu apprendre de nombreuses choses grâce à l’entreprise telles que l’insertion dans une équipe, l’étude et le choix de matériel, la réalisation de mesures et d’expériences, la conception de supports pour des capteurs, la rédaction de protocoles… Ce qui est essentiel pour réaliser un travail satisfaisant. Tandis que les cours m’ont permis de continuer à avoir un apprentissage théorique dans des domaines qui ne sont pas autant focalisés que la mission en entreprise.

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Bibliographie

http://www.irstea.fr/linstitut/nos-centres/lyon

http://www.irstea.fr/la-recherche/unites-de-recherche/hhly/metrologie http://www.irstea.fr/la-recherche/unites-de-recherche/hhly/hall-hydraulique https://www.techboat.com/lesdossiers/lessondeurs.aspx?page=Les+Sondeurs https://fr.wikipedia.org/wiki/Tach%C3%A9om%C3%A8tre

https://fr.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System Googlemaps.com

Googleearth.com

N. Lamy, « Performances et améliorations des protocoles de bathymétrie au Cemagref de Lyon » mémoire ESGT 2009.

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Annexes

Annexe 1 : fiche technique du scanner Scan Control 2900-100

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Annexe 2 : Protocole d’utilisation du canal inclinable Notice d’utilisation

Le canal dit «inclinable» du hall hydraulique de l'Irstea permet de modéliser les interactions fluide- sédiments en rivière naturelle et leurs mécanismes associés. Pour comprendre les mécanismes, il est nécessaire d’effectuer des mesures en différents points du canal. Ce processus est automatisé, ce qui offre densité de mesure et gain de temps important pour une meilleure exploitation des données.

Le programme permet de lancer une acquisition en continu des capteurs intégrés sur le canal grâce à LabVIEW. Pour choisir les différents capteurs, des tâches sont définies sous Measurement and automation (MAX) ; logiciel complémentaire à LabVIEW qui permet de choisir les voies d’acquisition et qui offre également la possibilité de définir des conversions de signal. Le programme permet aussi de réaliser des déplacements en cours d’acquisition en établissant un dialogue (Ethernet) avec l’automate qui pilote les rails de mesure. Pour ces déplacements, deux modes de fonctionnement existent :

Mode avec maillage : une liste de coordonnées 3D, ou maillage est définie par l’utilisateur à l’aide d’un tableur de type « Excel ». Le banc de capteurs se déplace automatiquement et parcourt les points du maillage. Il récupère les grandeurs puis les données sont affichées et enregistrées dans un fichier.

Mode sans maillage : les coordonnées de points sont saisies manuellement par l’opérateur à chaque itération via la télécommande de l’automate.

Toutes ces données sont ensuite sauvegardées dans un fichier texte.

Ce programme est développé sous LabVIEW 2012. Une sauvegarde du code et de ce mode d’emploi sont disponibles sur la forge logicielle d’Irstea (projet LAPIN : forge.irstea.fr/projects/lapin/wiki).

Pour lancer le programme le chemin est le suivant :

C:\Users\canal_inclinable\Desktop\opc_canal_inclinable\Dplct_auto_acqui_2014_v1.0

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1. Principe de fonctionnement

L’acquisition des données des capteurs est lancée dès que l’utilisateur a renseigné le chemin du fichier de sortie. L’acquisition se fait en continu jusqu’à la fin du programme.

Il est possible de réaliser des déplacements pendant l’acquisition. Par exemple, pour la réalisation de lignes d’eau.

Pour que les déplacements soient effectués il faut mettre l’automate sous tension et acquitter les défauts éventuels.

L’utilisateur peut à tout moment choisir de lancer des déplacements ou pas.

Deux fichiers de sauvegarde sont créés par la suite.

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2. Lancement du programme

Pour exécuter un programme sur LabVIEW il faut cliquer sur la flèche entouré ci-dessous en rouge (figure 1).

Figure 1 : bouton d’exécution de LabVIEW

La fenêtre (figure 2) ci-dessous apparaît lorsque l’on démarre le programme. Elle permet de choisir la destination et le nom du fichier de sortie. Exemple : « data.txt ». Il est nécessaire de noter .txt à la fin du nom de l’enregistrement pour que le fichier soit bien au format texte.

Figure 2 : fenêtre de choix du fichier d’enregistrement

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3. Présentation de l’interface

La face avant (figure 3) du programme permet son paramétrage ainsi que l’affichage dynamique des mesures.

Figure 3 : Interface homme machine du programme LabVIEW

Choix du fichier de maillage.

Consignes de vitesses.

Lancement d’un déplacement avec le fichier de maillage.

Arrêt du déplacement en cours, le prochain dans le fichier de maillage sera exécuté.

Informations sur les déplacements en cours : position, destination.

Bouton d’arrêt de fin des déplacements, permet d’arrêter le VI lorsque couplé avec 9.

Choix de la tâche LabVIEW associé à l’acquisition voulue (exemple tâche « turbi_US_Q_R »).

Informations sur l’acquisition.

Bouton d’arrêt de l’acquisition, permet d’arrêter le VI lorsque couplé avec 6.

Liste des capteurs à afficher sur le graphique.

Affichage graphique des grandeurs en continu.

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4. Présentation du fichier de maillage.

Les maillages injectés dans le programme se présentent sous la forme de fichiers Excel au format .xls ou .csv décrit dans le tableau 1. Les colonnes 1, 2 et 3 indiquent respectivement les destinations en X, Y et Z .La dernière colonne est le temps (en secondes) durant lequel l’automate va rester à la position indiquée avant de repartir.

8000 500 200 30

8100 505 205 30

8200 510 210 30

8300 515 215 30

8400 520 220 30

8500 525 225 30

8600 530 230 30

8700 535 235 30

8800 540 240 30

8900 545 245 30

9000 550 250 30

Tableau 1 : présentation d’un fichier de maillage

Pour lancer un maillage il est nécessaire d’enclencher le « mode automatique » sur la télécommande de l’automate.

Dans ce programme il est possible d’exécuter successivement plusieurs fichiers de maillage. A la fin d’un premier fichier de maillage, il est possible de choisir un autre fichier de maillage et de l’exécuter.

Cette action peut être répétée autant de fois que nécessaire jusqu’à ce que l’opérateur mette fin aux déplacements (bouton 6, « fin des déplacements »).

Il n’est pas nécessaire d’avoir un fichier de maillage pour lancer le programme. Dans ce cas il faut choisir le « mode manuel » de l’automate avec la télécommande et laisser les mesures se faire.

Pour arrêter le programme il faut appuyer sur les boutons 6 et 9 successivement.

Néanmoins si vous devez créer un fichier de maillage il faut faire attention à ne pas dépasser les plages de déplacement du rail. Le plus sécurisé est de déplacer les butés (voir figure 3) pour interdire le déplacement.

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Figure 3 : butées des axes y (à gauche) et z (à droite)

Il peut y avoir des obstacles ou capteurs placés dans le canal. Il convient donc de les prendre en compte lors de la construction du maillage. Par exemple en déplaçant les rails pour s’assurer que les positions sont atteignables sans danger.

5. Fichiers de sortie

Dans la partie 2 nous avons vu que le message affiché au lancement du programme permet de choisir le chemin d’enregistrement des données. En réalité deux fichiers sont créés :

Le premier a le nom donné au début, « data.txt »

Il dispose de toutes les mesures de tous les capteurs réalisées à la fréquence choisie et les valeurs des positions de l’automate à une fréquence de 1 Hz (tableau 2). La fréquence de mesure des capteurs est bien plus élevée que celle de la lecture de l’automate. Le ou les capteurs sont

paramétrés à 50Hz. Le fichier de sortie comporte 50 lignes de valeurs de capteurs pour une ligne de valeurs de la position de l’automate. Mais lorsque l’automate envoie dans le fichier de sauvegarde sa position, la valeur des capteurs est aussi à ce moment précis. Ces valeurs figurent deux fois dans le fichier de sortie. Une première fois lorsque elle est lue normalement et une seconde fois lorsque elle est lue simultanément avec la position de l’automate. Il faut donc faire attention lors de l’utilisation de ces données. Voir tableau 2 lignes 2-3 et 53-54.

le second fichier sera créé : « data_position_uniquement.txt » est un fichier simplifié.

Pour les besoins de certains utilisateurs un fichier moins détaillé à la fréquence 1 Hz est suffisant (tableau 3) : chaque ligne de ce fichier présente une valeur instantanée de tous les capteurs et de la

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Tableau 2 : premier fichier de sortie

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Tableau 3 : second fichier de sortie

Dans le tableau 3 les 6 premières colonnes correspondent aux valeurs des capteurs, les 3 suivantes sont celles de l’automate et la dernière celle du temps depuis le début de l’acquisition (en seconde).

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Annexe 3 : Notice d’utilisation de la sonde multi-paramètre YSI

Mise en route

Brancher la sonde. Mettre les piles dans l’emplacement prévu à cet effet (en rouge sur l’image).

Faire attention lors de la mise en service de l’appareil, le turbidimètre réalise un nettoyage avec un petit essuie-glace, il ne faut pas le gêner. Pour plus de précautions mettre le cache sur le

turbidimètre.

Réglage de la sonde Réglage date et heure :

Prog. système / date & heure / puis effectuer les modifications voulu sur les différents paramètres.

Réglage de la fréquence d’acquisition :

Prog. enregistrement / régler le temps voulu dans intervalle (min 1s ; max 1h)

Faire une mesure

Choisir mesure sonde dans le menu puis deux choix possible suivant le type de mesure : une mesure unique ou une mesure continu (où l’intervalle définit précédemment réglera la fréquence

d’acquisition). Il faut ensuite régler les différents paramètres (lieu de manip, nom du fichier de sortie…) avant de lancer l’acquisition.

Lecture de données Sur l’appareil :

Fichier / Voir fichier / Puis sélectionner le fichier que vous voulez voir.

Sur un ordinateur :

- Installer le logiciel EcoWatch avec le cd fournit. Attention ce logiciel n’est pas compatible avec Windows 7 en 64 bits !

- Brancher l’appareil au pc grâce au câble RS232.

- Pour se connecter à l’appareil il faut appuyer sur la 6ème icône . Puis il faut choisir le port com sur laquelle il est branché.

- Transférer les fichiers de la sonde au pc dans le menu fichier / transfert vers pc. Les fichiers se trouvent alors dans C:\ecowin\data et sont sous format .dat.

(48)

- Le format .dat permet d’ouvrir les fichiers sous le logiciel EcoWatch mais ne sont pas utilisable par Excel. Pour obtenir un fichier .txt utilisable par Excel il faut cliquer sur la 3ème icône (après avoir ouvert le fichier) puis choisir fichier texte avant de cliquer sur exporter. Le fichier se trouve alors dans la même bibliothèque que précédemment mais en .cdf ouvrable par Excel.

(49)

Annexe 4 : Notice d’utilisation du turbidimètre OBS 5+

Mise en route

Brancher la sonde à un pc via une liaison RS-232 et sur une batterie qui délivre une tension entre 6 et 18. Il est aussi possible de mettre 3 piles LR14 pour alimenter la sonde. Pour cela il faut dévisser avec des clefs BTR le haut de la sonde et installer les piles dans l’endroit prévu à cet effet.

Ensuite lancer le logiciel OBS-5+ Windows. Ce message va apparaître :

Il indique qu’il va créer un nouveau fichier à l’emplacement précisé. Ou si non il va vous demander quel fichier vous voulez réutiliser.

Ensuite ces écrans vont s’afficher :

Réglage de la sonde

Ensuite il faut appuyer sur pour pouvoir se connecter à la sonde. Le feu deviendra vert et il faut alors appuyer sur pour synchroniser le temps de l’ordinateur et celui de l’appareil.

Il faut alors cliquer sur . La page suivante va alors s’afficher :

Celle-ci permet de régler les paramètres de sonde, et choisir le port série à utiliser.

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