CETMEF Méthodologie de mesure du transport solide...

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A Janvier 2010 Version originale

Affaire suivie par

CETE

Normandie Centre

Laboratoire

Régional des

Ponts et Chaussées

de Blois

RAPPORTS

Affaire 125840

CETMEF

Méthodologie de mesure du transport solide en Loire

Avril 2011

www.cete-normandie-centre.developpement-durable.gouv.fr

MINISTÈRE DE L’ÉCOLOGIE, DU DÉVELOPPEMENT DURABLE, DES TRANSPORTS ET DU LOGEMENT

CETE Normandie Centre – Laboratoire Régional des Ponts et Chaussées de Blois

Affaire 125840 Méthodologie de la mesure du transport solide en Loire 2/38

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A 02/05/2011 Version originale

Affaire suivie par

Erwan LE BARBU- Groupe « Environnement et Risque » - Unité: « Bathymétrie et Sédimentologie »

Tél. 02 54 55 49 16 / fax 02 54 55 48 71

Mél. [email protected]

Référence Internet

http://www.cete-normandie-centre.developpement-durable.gouv.fr

Destinataires − CETMEF Compiègne

A l'attention de Monsieur Patrick CHASSE ...................... (1 ex.)

- Groupe « Environnement et Risques » ................................ (1 ex.) - Secrétariat (affaire 125840).................................................. (1 ex.) - Centre de Gestion «CG4»/ 108



Sommaire

1 ......PRÉSENTATION DE L’ÉTUDE ..................................................................................4

2 ......MESURE DU TRANSPORT SOLIDE EN SUSPENSION...........................................5

2.1 Historique des mesures ............................. .......................................................................5

2.2 Mesures réalisées en 2009-2010..................... ..................................................................7

2.3 Réflexion sur une mesure en continu du flux de MES. ................................................14

2.4 Synthèse ........................................... ................................................................................22

3 ......MESURE DU TRANSPORT SOLIDE CHARRIAGE ET SALTATION......................23

3.1 Protocole de mesure................................ ........................................................................23

3.2 Retour d’expérience de l’université de Tours ....... ........................................................27

3.3 Essais de déploiement des appareils de mesure par l e LRPC de Blois.....................30

3.4 Autres mesures effectuées par le LRPC de Blois..... ....................................................32

3.5 Synthèse ........................................... ................................................................................35

4 ......CONCLUSION ..........................................................................................................35



1 Présentation de l’étude Longtemps ignoré par l’ensemble des gestionnaires des cours d’eau, le transport solide est devenu un enjeu important dans la gestion durable des milieux aquatiques :

• Problématique de source et de transport de pollutions (exemple des PCB du Rhône). • Problématique de gestion durable du lit des cours d’eau (incision du lit, déconnexion des bras

secondaires, fermeture des bras principaux, …). • Problématique du maintien des captages dans le lit majeur (divagation du cours d’eau et incision du

lit et de la nappe phréatique). • Problématique du maintien des paysages de Loire (bras secondaires, bancs sableux non

végétalisés, …). • Problématique des lignes d’eau en crue dans le lit endigué.

Le transport solide est pourtant à l’heure actuelle mal connu car notamment mal ou peu mesuré. Les différents organismes de recherche ainsi que les bureaux d’étude ne parviennent pas à répondre aux questionnements pratiques des gestionnaires représentés pour la Loire par la DREAL de bassin : la DREAL Centre. Ce manque de connaissance a fait émerger la notion de la création d’un Observatoire des Sédiments de la Loire (OSL) sur la base de la création de l’Observatoire des Sédiments du Rhône (OSR). Cette structure permettrait de rassembler les organismes de recherches afin de répondre à des questionnements pratiques des gestionnaires. Une première réunion de l’ensemble des acteurs concernés par cette thématique sur le bassin de la Loire s’est tenue le 5 janvier 2011 à l’université de Tours. M Marc DESMET, nouvel arrivant dans cette structure et ayant participé au montage de l’OSR a souhaité renouveler l’expérience sur la Loire. Lors de cette réunion, une cinquantaine de personnes se sont retrouvées pour échanger le bien fondé d’une telle structure. Cette réunion d’ouverture est une réussite qui appellera vraisemblablement à la constitution prochaine de l’observatoire des sédiments de la Loire. Le LRPC de Blois est bien entendu parti prenante pour s’intégrer via des actions de recherche opérationnelle et de métrologie de ce type de structure. Le LRPC de Blois a en effet effectué de nombreuses études hydro-morphologique en Loire commandées par les gestionnaires du lit (DDT et DREAL Centre). La DREAL Centre souhaite compléter les études hydromorphologiques locales (La Charité sur Loire, Mèves sur Loire, Cosne sur Loire, Ousson, Sully sur Loire, la traversée d’Orléans, Saint Gemmes, …) par des mesures opérationnelles du transport solide total (charriage et suspension) en Loire. Ce type de mesure devrait compléter les mesures bathymétriques d’ores et déjà réalisées par le LRPC de Blois. Ce rapport présente les différentes prospections méthodologiques et de mesures réalisées par le LRPC de Blois sur la thématique du transport solide. Compte tenu du caractère expérimental de cette démarche, le CETMEF est le commanditaire de cette étude. Ce rapport s’articule autour des deux modes de transport solide. Dans un premier temps, le transport solide par suspension est abordé. Un rappel de l’historique des mesures effectuées par le LRPC de Blois est tout d’abord présenté. Une analyse de ces mesures est présentée dans un deuxième temps. Enfin, une réflexion sur la mise en œuvre de station de mesure fixe est engagée par un retour d’expérience des stations de mesures du CEMAGREF de Lyon. Dans un deuxième temps, le transport solide par charriage et saltation est abordé. Ce type de transport solide n’a pas fait l’objet de mesures par le LRPC de Blois bien que ce dernier possède les outils pour le faire. Une présentation du protocole de mesure est tout d’abord réalisée. Le retour d’expérience de l’université de Tours partenaire privilégié du LRPC de Blois sur ce domaine est alors réalisé. Enfin, les difficultés de mise en œuvre des outils de mesures du LRPC de Blois ainsi que les différentes expérimentations réalisées par la structure sont présentées.



2 Mesure du transport solide en suspension 2.1 Historique des mesures

Lors de l’année hydrologique 2008-2009, la DREAL Centre avait sollicité le LRPC de Blois pour réaliser le suivi en terme de matières en suspension de deux crues de la Loire. La première crue était celle de novembre 2008. Cette crue d’origine cévenole avait été écrêtée par la retenue de Villerest mais avait tout de même généré une crue importante qui avait atteint plus de 2000 m3/s à Blois. Une deuxième crue plus modeste avait également été suivie en janvier 2009 pour un débit de pointe de 1100 m3/s à Blois.

Pour ces deux crues, des prélèvements en MES ont été réalisés au pont Mitterrand à Blois en rive droite, rive gauche et au centre de l’ouvrage (figure 1). Trois prélèvements de surface ont été systématiquement réalisés afin de déceler une éventuelle hétérogénéité transversale des concentrations en MES.

Figure 1 : Prélèvements sur la Loire à Blois

Les analyses des prélèvements n’avaient pas montré de variations significatives des concentrations. Il était donc convenu à l’avenir de ne réaliser qu’un seul et unique prélèvement de surface au centre de la section (et de l’ouvrage) pour les prélèvements suivants.

Les mesures effectuées lors de ces deux crues avaient été décidées tardivement et avaient commencé deux ou trois jours avant la pointe de débit. Il avait été convenu qu’à l’avenir, un suivi plus régulier serait réalisé afin de pouvoir se doter des concentrations en MES avant et après la crue en temps que telle. Un suivi plus continu des flux de MES pouvait par ailleurs permettre d’évaluer les dynamiques de ces flux ainsi que de comparer les volumes transportés lors des crues avec les volumes globaux transportés toute l’année.

Les figures 2 et 3 présentent les débits et les évolutions des MES de ces deux crues.



Figure 2 : Évolution comparée du débit et des concentrations en MES – crue de novembre 2008

Figure 3 : Évolution comparée du débit et des concentrations en MES – crue de janvier 2009

Lors de la crue de novembre 2008, jusqu’à trois prélèvements journaliers avaient été réalisés. Cette fréquence de mesure était trop importante compte tenu de la dynamique des crues de la Loire moyenne. Lors de la crue de janvier 2009, deux prélèvements journaliers avaient été réalisés (à 8 heures et à 18 heures). Cette fréquence d’échantillonnage semble plus pertinente mais aucun prélèvement ne peut être réalisé la nuit ce qui induit des lacunes de 14 heures dans les données. Compte tenu de ces résultats, la fréquence d’échantillonnage a été définie comme suit : un voire deux prélèvements journaliers à fort débit et un prélèvement tous les deux jours en début et en fin de crue. Bien entendu cette fréquence d’échantillonnage est théorique. Hormis pour les crues exceptionnelles (comme celle de novembre 2008), les prélèvements ne peuvent s’effectuer les week-ends et jours fériés.

Les mesures réalisées pour ces deux crues montraient toutefois des comportements similaires en terme de cinétique des MES. Les pics de concentrations en MES se produisaient systématiquement avant le pic de débit liquide. Le pic de concentration en MES semblait davantage lié à l’accroissement des débits qu’à leurs strictes valeurs. Un phénomène en hystérésis semblait se dresser. La figure 4 présente les évolutions comparées des débits liquides et solides (en suspension) de ces deux crues.



0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 500 1000 1500 2000 2500Débit liquide (m3/s)

Déb

it so

lide

(T/h

)

Novembre 2008

Novembre 2008 estimée

Janvier 2009

Janvier 2009 estimée

Figure 4 : Évolutions comparées des débits liquides et solides des crues de l’année hydrologique 2008-2009

Un phénomène d’hystérésis est observé : les concentrations en MES sont plus importantes à la montée de la crue que lors de la décrue. Le maximum de débit solide se produit par ailleurs avant le maximum de débit liquide. Ce comportement semblait très intéressant et devait être confirmé par des mesures sur les crues de l’année hydrologique 2009-2010.

2.2 Mesures réalisées en 2009-2010 Les mesures réalisées lors de l’année hydrologique 2009-2010 avaient pour objectif de couvrir l’ensemble de la chronique des débits. Pour ce faire, il avait été convenu de réaliser un prélèvement par semaine en période hivernale « classique ». Des prélèvements plus fréquents devaient être réalisés en crue afin de mieux préciser les flux lors de ces épisodes. Fort des expériences de l’année hydrologique 2008-2009, en début et en fin de crue, un prélèvement tous les deux jours devait être mis en place, au pic de crue un à deux prélèvements journaliers devaient être réalisés (sur les deux à trois jours encadrant le pic). La figure 5 présente les chroniques de débits et de concentrations en MES associés lors de l’année hydrologique 2009-2010.

Figure 5 : Chronique de débits et de concentrations en MES à Blois ; 2009-2010

Les mesures ont débuté au début du mois de décembre 2009 par faute de moyen. Les mesures ont toutefois débuté avant les premières montées des eaux.



Les crues (> 700 m3/s) ont été davantage suivies que les autres situations. Pour les crues se produisant sur des week-ends, aucun système d’astreinte n’a été mis en place. Des lacunes de plus de 50 heures (contre les 12 heures théoriques) sont ainsi observées dans les chroniques. Ces lacunes n’ont pas pu permettre de comprendre les dynamiques fines des flux de MES dans le cas de crue multi pics notamment. L’année hydrologique 2009-2010 présente des débits relativement faibles. L’analyse hydrologique de l’année 2009-2010 est présentée dans le chapitre suivant. 2.2.1 Contexte hydrologique de l’année 2009-2010 La figure 6 illustre les chroniques des années hydrologique 2008-2009 et 2009-2010.

Figure 6 : Chroniques des débits à Blois des années hydrologiques 2008-2009 et 2009-2010 (source banque

hydro) L’année hydrologique 2008-2009, se caractérise une crue très importante en début d’année hydrologique (fin novembre 2008). Les écoulements restent soutenus (> 400 m3/s) jusqu’en avril (jour 225). Trois épisodes de crue supérieurs à 1000 m3/s se distinguent (le 8 novembre 2008, le 19 décembre 2008 et le 28 janvier 2009). La crue de janvier 2009 a été suivie en terme de transport solide par suspension (jour 150 sur la figure 6). L’année hydrologique 2009-2010 présente des débits très faibles jusqu’en décembre. Seule deux crues dépassent 900 m3/s. Cette année se caractérise par des crues tardives (une des deux crues les plus importantes se produit en juin 2010). La figure 7 présente une comparaison des débits mensuels des deux années hydrologiques avec les débits moyens mensuels évalués depuis 1950.



Figure 7 : Comparaison des débits mensuels

L’année hydrologique 2009-2010 présente des débits mensuels très inférieurs aux moyennes sauf pour les mois de juin et juillet. 2.2.2 Protocole de mesure et d’analyse Les prélèvements ont été effectués depuis le pont Mitterrand à Blois. Un prélèvement de 2 litres réalisé en surface au milieu de l’ouvrage a été réalisé. En attendant les filtrations, les échantillons ont été conservés dans un réfrigérateur limitant leur détérioration. Au laboratoire, une analyse par filtration des échantillons a été réalisée. Cette analyse a systématiquement été doublée voire triplée si nécessaire de façon à obtenir des valeurs de concentration en MES dans les incertitudes liées à la précision de la balance. La balance présente une précision d’un mg. Selon le volume d’échantillon analysé, la précision de la concentration mesurée varie. Le tableau suivant présente la précision des concentrations en MES mesurées selon les volumes analysés.

Volume analysé

précision balance

précision concentration

ml mg mg/l 125 1 8 250 1 4 500 1 2

Deux analyses systématiques ont été réalisées. En cas de différences de concentration en MES supérieures à la précision de la mesure, une autre analyse de confirmation a été réalisée. 2.2.3 Analyse des résultats

2.2.3.1 Évaluation des incertitudes de mesure dans le calcul de la masse des MES Les flux de MES transportées lors de l’année hydrologique 2009-2010 ont été évalués. Pour ce faire, les débits journaliers (source banque hydro) ont été utilisés. La valeur de la concentration en MES journalière a été prise comme la moyenne des valeurs des prélèvements de la journée. Les jours où aucun prélèvement n’a été réalisé, des interpolations linéaires ont été réalisées afin d’évaluer les valeurs manquantes. Les concentrations du début de l’année hydrologique (de septembre à mi décembre) ont été estimées comme égales à la première concentration mesurée (8 mg/l). Le tableau 1 présente les volumes évalués lors de l’année hydrologique en intégrant les incertitudes dues au protocole de filtration (incertitude de mesure de la balance).



Masse tot delta millier T % millier de T MES moy 210 MES min 200 -5% -10 MES max 220 5% 10

Tableau 1 : Chronique de débit annuel ; masse total e et incertitudes de mesure Les incertitudes en masse sont de 10 milliers tonnes soit 5 % de la masse totale. Pour la crue de février 2010, des essais sur les méthodes de calculs des volumes ont été réalisés afin de juger la pertinence de réaliser des calculs au pas de temps journalier.

Horaire Journalier MES moy MES min MES max Moy journ Moy prelev Millier T 24.68 23.65 25.96 25.15 24.31 delta -5% 5% 2% -2%

Tableau 2 : Crue de février 2010 ; comparaison des calculs des flux de MES La distinction horaire et journalier s’explique comme suit :

• Horaire : utilisation d’une concentration en MES pour la date et l’heure du prélèvement. Interpolation linéaire pour évaluer les concentrations en MES à chaque heure. Calcul des masses par pas de temps horaire.

• Journalier : évaluation d’une concentration en MES a chaque jour (moyenne des prélèvements du jour ou des valeurs issues des interpolations linéaires). Calcul des masses par pas de temps journalier avec le débit journalier.

Les méthodes utilisées pour l’évaluation des masses sont les suivantes :

• MES moy : prise en compte de la concentration mesurée par filtration. • MES min : prise en compte de la concentration sous estimée du fait de la précision de la balance. • MES max : prise en compte de la concentration sur estimée du fait de la précision de la balance. • Moy journ : évaluation par la moyenne des interpolations des concentrations horaires. • Moy prélev : prise en compte de la moyenne des prélèvements effectués dans la même journée.

La masse de référence a été prise comme celle qui est évaluée au pas de temps horaire sur la base des concentrations en MES évaluées par filtration. Les écarts liés à la précision de la balance sont de 5% comme dans le tableau 1. Les écarts liés à une mesure journalière des masses sont très inférieurs aux incertitudes de mesure de la balance (de l’ordre de 2 %). Les calculs des masses par pas de temps journalier peuvent donc être effectués sans perdre en qualité de la mesure.

2.2.3.2 Quantification de la masse de MES transport ée en crue Lors des crues, les masses de MES ont été évaluées par pas de temps journalier. Le tableau 3 présente la synthèse des paramètres importants des crues ainsi que la masse totale de MES qui a été transportée. Les masses ont été évaluées sur l’intervalle de temps pendant lequel des variations de concentrations ont été observées. Le calcul a été arrêté dès lors que la concentration retrouvait sa valeur d’origine.

QIX QJX MES début MES max Masse tot durée QJ début QJ fin m3/s m 3/s mg/l mg/l millier T J m 3/s m 3/s

nov-08 2020 1950 30 225 130 12 380 600 janv-09 1096 1070 35 127 31 6 490 780 févr-10 1000 1000 30 104 26.5 6 500 850 mars-10 720 720 10 50 28.6 16 315 480 mai-10 850 750 6 50 27.6 25 200 280 juin-10 990 960 10 92 29.7 17 300 450 juil-10 416 10 55 6.3 9 160 160

Tableau 3 : Caractéristiques et masse des MES des cru es suivies



La crue de novembre 2008 reste la plus importante en terme de débit, de concentration maximale en MES (225 mg/l) et de masse (130 milliers de tonnes). La durée de la crue de novembre 2008 est toutefois relativement faible par rapport à son intensité. En 2010, les crues de mars et de mai présentent des pics de crue multiples. Les volumes de crues restent du même ordre de grandeur (de 26 à 30 milliers de tonnes en moyenne). Une comparaison des masses transportées en crue, en période de débits soutenus (Q > 150 m3/s) et en période d’étiage (Q< 150 m3/s) a également été réalisée et est présentée dans le tableau 4.

crues Q>150m3/s Q<150m 3/s Total millier T 118.7 205.8 4.8 210.6 Masse

% 56% 98% 2% nb jour 73 243 122 365 Temps

% 20% 67% 33% millier T/jr 1.63 0.85 0.04

Tableau 4 : Comparaison des situations de crue, de débits soutenus et d’étiage Plus de la moitié de la masse transportée par suspension s’est déplacée en 20 % de l’année. 98 % de la masse des matières en suspension est transportée pour des débits supérieurs à 150 m3/s soit pendant 67 % de l’année. Pour information, la crue de novembre 2008 représente plus de 62 % de la masse transportée lors de l’année hydrologique 2009-2010 et ce en 12 jours seulement. Un tel événement représente ainsi outre un « choc hydraulique » pour les écosystèmes, un transport massif de sédiments en suspension et par-là même un potentiel de transport important de pollution particulaire fixée par ces matières.

2.2.3.3 Relation débit solide - débit liquide Les relations débit solide/débit liquide ont été tracées. C’est ce type de relation qui intéresse les gestionnaires et qui avait présenté des résultats intéressants pour les crues de novembre 2008 et de janvier 2009 comme illustré dans la figure 4. La figure 8 illustre ces relations pour l’ensemble des crues suivies.

Figure 8 : Relation débit solide-débit liquide pour l‘ensemble des crues suivies

La crue de novembre 2008 est trop importante et masque le comportement des crues plus faibles. Une adimentionalisation des paramètres solides et liquides a été réalisée. Les résultats sont présentés dans la figure 9.



Figure 9 : Relation adimentionnalisée débit solide-débit liquide pour l‘ensemble des crues suivies

Le phénomène d’hystéresis reste marqué : le débit solide croît avant le débit liquide car les concentrations en MES s’atténuent plus rapidement que le débit liquide. Toutefois, les relations ne sont pas aussi « franches » que celles des crues de novembre 2008 et janvier 2009. Les crues de mars et mai 2010 étaient des crues présentant plusieurs pics de débits. Il est possible que ce type de crue induisent des modifications dans la dynamique des flux de MES. Par ailleurs, aucune crue importante n’a été observée durant cette année hydrologique. Les crues suivies sont restées très faibles.

2.2.3.4 Autre résultat La relation entre débit journalier maximal et concentration en MES maximale a été évaluée à l’aide du tableau 3. La figure 10 présente cette relation.

Figure 10 : Relation entre débit journalier maximal et concentration en MES maximale

Les 6 crues semblent pressentir une relation forte entre le débit maximal de la crue et la concentration maximale des MES. Cette relation est à confirmer par le suivi d’autres crues.



2.2.4 Synthèse L’année hydrologique 2009-2010 n’a pas présenté des crues importantes. Par ailleurs, durant cette année, des crues présentant plusieurs pics de débits ont été suivies. Ces crues semblent présenter des dynamiques de transport solide des MES différentes des crues à pic simple. Le protocole de suivi des concentrations de MES qui a été défini ne semble pas être suffisant pour décrire les épisodes de crues multi pics. Par ailleurs, cette méthode est chronophage puisqu’elle nécessite le déplacement d’un opérateur pour réaliser chacun des prélèvements. Aussi, les périodes des hautes eaux (en dehors des crues) n’ont pas été suffisamment suivies. La mise en œuvre d’une station de mesure automatique pourrait résoudre ce problème. Les résultats en terme de relation débit liquide-débit solide sont donc globalement décevants. Toutefois, la réalisation d’une mesure en continu des flux de MES permet de dresser des bilans annuels de masses et de dresser la dynamique des flux naturels. Les impacts d’aménagements dans le lit du cours d’eau peuvent également être grossièrement évalués. Une analyse plus fine nécessite toutefois la mise en œuvre de stations de mesures automatiques.



2.3 Réflexion sur une mesure en continu du flux de MES Les conclusions des prélèvements manuels depuis le pont François Mitterrand de Blois ont montré l’intérêt de mettre en œuvre une station de mesure des concentrations en MES en continu. Pour se faire, de nombreuses techniques reposant sur des principes physiques de mesure de l’atténuation d’un signal lumineux, acoustique ou nucléaire existent. Les méthodes acoustiques et nucléaires sont encore expérimentales. Seules les mesures de turbidité ou encore de l’atténuation d’un signal lumineux par le milieu présentent des résultats très satisfaisants. Cette valeur est en lien direct avec la concentration des matières en suspension. Le Cemagref de Lyon dispose d’une certaine expérience dans la mise en œuvre de station de turbidimétrie. Une visite in situ et des échanges techniques ont été réalisés avec cet organisme à ce sujet. 2.3.1 Contexte des mesures de turbidité du Cemagref de Lyon Le Cemagref de Lyon a mis en place 5 stations de mesures dont 4 réalisant également des mesures turbidimétriques sur l’Arc et l’Arvan (affluent de l’Arc à Saint Jean de Maurienne dont les apports sédimentaires sont les plus importants). La figure 11 illustre la localisation de ces stations.

Figure 11 : Localisation des stations de mesures turbidimétriques du Cemagref de Lyon (source Cemagref)

La visite des stations de l’Arc et de l’Arvan (Maurienne 73) a été réalisée avec le Cemagref de Lyon les 28 et 29 juillet 2010. L’objectif de ce dispositif de mesure lourd consiste à quantifier les flux de matières en suspension de torrents alpins. Cette thématique est très importante puisque les torrents alpins drainent des bassins versant marneux qui s’érodent très facilement entraînant de ce fait du transport solide en suspension très important comme l’illustre la figure 12.



Figure 12 : Exemple d’écoulement chargé de l’Arc (source Cemagref Lyon)

Ces matières en suspension transitent vers l’aval hydrographique jusqu’à ce qu’elles rencontrent des zones plus calmes où elles sédimentent. C’est le cas des nombreux bassins d’EDF présents sur les vallées de l’Arc et l’Isère. Les concentrations naturelles sont si importantes que les retenues hydroélectriques ainsi que les différents bassin se comblent très rapidement. EDF est ainsi régulièrement dans l’obligation de réaliser des « chasses » hydrauliques en ouvrant les vannes des retenues ou en réalisant des dragages des bassins et un re largage dans le milieu naturel. Ces opérations sont très fréquentes. Typiquement, si aucune crue importante (nécessitant l’ouverture des vannes des retenues au fil de l’eau) ne se produit, une chasse annuelle est réalisée fin juin. Lors de ces opérations, un suivi des concentrations en MES est réalisé afin de ne pas dépasser les seuils imposés par la loi sur l’eau. Un suivi en continu des concentrations en MES permet de déterminer les évolutions et les valeurs maximales naturelles de ces flux. Un suivi spatialisé (à différentes stations) a également été mis en place afin de déterminer la propagation (en terme de temps de propagation et d’atténuation des valeurs maximales) des flux. Pour le bassin de l’Isère, ces thématiques de matières en suspension sont très importantes car les volumes évacués vers l’aval lors des chasses transitent dans le réseau hydrographique vers l’aval et sédimenteront dans les retenues au fil de l’eau de l’Isère puis du Rhône gérées par EDF puis la Compagnie Nationale du Rhône (CNR). Le suivi de ces flux est donc une problématique importante pour EDF et la CNR qui sont des partenaires privilégiés pour l’installation et le suivi des stations de turbidité.



2.3.2 Description d’une station de turbidité La méthode de mesure en continu de la concentration en MES d’un écoulement par la turbidimétrie nécessite la mise en place d’une relation liant la turbidité (transparence de l’écoulement) à la concentration en matière en suspension. La seule méthode qui permet de réaliser une mesure de la concentration en matière en suspension juste est la filtration d’un échantillon. Par conséquent, une station turbidimétrique doit être étalonnée en continu (par des prélèvements d’échantillon) de façon à se doter de la relation valeur de turbidité/concentration en matière en suspension. Cet étalonnage se réalise par le biais de prélèvements effectués par un préleveur automatique pour réaliser des mesures en crue se produisant de nuits ou en jours non ouvrés. La figure 13 présente une illustration du dispositif de mesure d’une station de mesure turbidimétrique.

Figure 13 : Schéma d’une station de mesure de turbidité Une station de turbidité dispose :

• D’un boîtier en berge qui concentre les informations. • D’une alimentation en énergie (une alimentation sur secteur est très fortement conseillée, le

photovoltaïque ne suffit pas au besoin de la chaîne d’acquisition). Dans le boîtier, une alimentation de secours par batterie est prévue en cas de défaillance ponctuelle de l’alimentation principale.

• D’une sonde de turbidité disposée dans l’écoulement reliée à la centrale d’acquisition qui réalise des mesures en continu.

• D’une centrale d’acquisition qui enregistre physiquement les mesures de turbidité à un certain pas de temps.

• D’un préleveur d’échantillon automatique programmable et pouvant être asservi au turbidimètre (déclenchement automatique à partir d’un certain seuil de turbidité).

• D’une sonde limnimétrique disposée dans l’écoulement à proximité de la sonde de turbidité afin de mesurer également les hauteurs d’eau (et le débit avec une courbe de tarage).

• D’un modem GSM pour une télétransmission des données. Les figures 14 et 15 présentent des illustrations d’un boîtier en berge et des dispositifs de mesures placé dans l’écoulement.

Lit majeur

Lit mineur

sondes

préleveur

Rapatriement des données par GSM



Figure 14 : Exemple de boîtier en berge du Cemagref de Lyon (source Cemagref Lyon)

Figure 15 : Exemple de dispositif de mesure placé dans l‘écoulement (source Cemagref Lyon)

Mesure de la turbidité

Centrale d’acquisition

Batterie de secours en cas de panne de secteur

Tuyau pour le préleveur automatique

Gaine pour la sonde de turbidité

Échelle hydrométrique

Gaine pour la sonde limnimétrique



2.3.2.1 La sonde de turbidité

Figure 16 : Exemple de sonde de turbidité Hach Lange (source internet à gauche et Cemagref Lyon à droite)

La sonde turbidimétrique (figure 16) permet de réaliser deux mesures de la transparence des écoulements :

• Une mesure à 90° (unité NTU) • Une mesure à 160° (unité TS)

Les unités de la mesure de turbidité sont exprimées soit :

• En NTU (valeurs normalisées mais limitées en terme de valeurs maximales de turbidité : 4000 NTU maxi).

• En TS (valeurs non normalisées mais permettant de réaliser des mesures pour des très fortes turbidités).

Pour s’affranchir de la transparence de l’eau liée à l’ensoleillement, la sonde doit être placée à plus de 30 cm de la surface libre pour toutes les conditions de mesures (y compris à l’étiage). Le risque est une sur-estimation des concentrations en matières en suspension. La mesure de la turbidité est une mesure optique. Un entretien régulier des surfaces des capteurs est nécessaire pour éviter l’encrassement des capteurs. Un entretien régulier de la sonde est nécessaire afin de nettoyer les surface de contact. Régulièrement (tous les deux mois pour le Cemagref de Lyon), une tournée d’inspection des stations de mesures est réalisée. Lors de ces tournées, les sondes sont nettoyées manuellement. Un entretien plus fréquent est possible et intégré à la sonde. Ces méthodes sont les suivantes :

• Aller et retour d’un micro balai en caoutchouc sur les surfaces de contact. • Injection d’air comprimé sur les surfaces de contact. • Émission d’un ultra son dans le milieu devant les surfaces de contact.

Chacune de ces trois techniques présente des avantages et des inconvénients synthétisés dans le tableau suivant :

Technique Avantage Inconvénient

micro balai peu gourmant en énergie mécanique donc casse possible (nombre

de cycle avant usure du caoutchouc)

air comprimé nettoyage relativement efficace nécessité d'avoir un compresseur

gourmant en énergie ultra son nettoyage très efficace plus cher à l'acquisition

La sonde Hach Lange illustrée par la figure 16 dispose d’un micro balai pour un nettoyage automatique de la sonde. La fréquence des cycles de nettoyage est programmable dans la station.



2.3.2.2 La centrale d’acquisition La mesure brute de turbidité est lisible sur le boîtier d’acquisition de la sonde de turbidité. La centrale d’acquisition permet un enregistrement de ces mesures. Pour ce faire, la mesure brute de turbidité est convertie en signal électrique dont la précision altère la précision de la mesure. En effet, le signal électrique est capable d’avoir des incréments de l’ordre de 0,1mA au minimum. L’ampérage maximum est une valeur fixe. Pour des concentrations en MES importantes (jusqu’à 150 g/l), l’incrément de 0,1 mA peut correspondre à un incrément de turbidité équivalent à 30 mg/l. Pour les faibles concentrations en MES, cet incrément est trop important. Aussi, deux gammes de concentrations associées aux mêmes gammes d’intensité électrique sont alors réalisées :

• une gamme de concentration faible (par exemple 0,1 mA = 1mg/l). • une gamme de concentration élevée (par exemple 0,1 mA = 30mg/l).

La gamme de concentration faible est bien entendu limitée en terme de concentration maximale enregistrée. La fréquence d’enregistrement des mesures est un paramètre réglable. Un changement de fréquence de l’enregistrement lors d’un pic de concentration en MES est également possible. Les mesures enregistrées sont stockées physiquement dans la centrale. Ces données peuvent également être consultées à distance grâce au GSM. Elles peuvent également être récupérées par un branchement physique lors des visites bimensuelles.

2.3.2.3 L’échantillonneur automatique Un échantillonneur réalise des prélèvements dans l’écoulement. Ces prélèvements sont stockés en son sein. Ils seront filtrés par la suite en laboratoire afin de déterminer leur concentration en matière en suspension. Leur préleveur stocke la date de chacun des prélèvements. Une correspondance entre la concentration en MES et la turbidité pourra alors être réalisée pour étalonner le turbidimètre. Un asservissement éventuel avec le turbidimètre est possible : par exemple, un prélèvement toutes les heures en cas de dépassement d’un certain seuil de turbidité. Un pas de temps est également programmable. Il ne dispose que de 24 flacons d’1 litre. Lors de chaque visite, les flacons remplis sont remplacés par des flacons vides. La stratégie d’échantillonnage doit être adaptée de façon à se constituer une bonne relation entre la concentration en MES et la turbidité. Le préleveur ne doit pas être disposé trop proche du cours d’eau (il doit être hors d’eau y compris lors des crues). Il doit également ne pas être mis en place trop en hauteur (capacité de pompage limitée : 7 m maxi). Le tuyau d’aspiration est purgé avant et après le prélèvement. L’échantillonneur n’est pas réfrigéré (peu de matières organiques donc peu de risque de dégradation de l’échantillon). Le diamètre du tuyau d’aspiration est de 8 mm pour garantir une vitesse d‘écoulement supérieure à 50 cm/s lors de l’aspiration empêchant ainsi le risque de sédimentation des particules lors de l’aspiration. La figure 17 présente une illustration du préleveur automatique ISCO utilisé par le Cemagref de Lyon.

Figure 17 : Préleveur automatique ISCO



2.3.3 Étalonnage de la station du turbidité Les valeurs enregistrées sont des valeurs de turbidité (en NTU ou en TS). Une relation doit être trouvée pour permettre de lier les valeurs de turbidité aux valeurs de concentration en matières en suspension. Cette relation ou courbe d’étalonnage est réalisée en mettant en relation les concentrations en MES mesurées par filtration des échantillons avec les valeurs des turbidités enregistrées par la centrale d’acquisition. La figure 18 illustre la courbe d’étalonnage d’une station turbidimétrique sur l’Isère à Grenoble suivi par le LTHE en partenariat avec EDF DTG.

Figure 18 : Exemple de courbe d’étalonnage d’un turbidimètre (source : thèse Vincent Mano LTHE

Grenoble) Les ordres de grandeur de concentration ne sont pas les mêmes. En Loire à Blois, les concentrations maximales mesurées lors de la crue de novembre 2008 étaient de l’ordre de 200 mg/l. Sur l’Isère à Grenoble, elles montent jusqu’à 15g/l soit près de 100 fois plus. La relation entre la turbidité est les concentrations en MES n’est malheureusement pas univoque. Elle est différente selon les caractéristiques (granulométriques notamment) des particules. Selon les crues, des relations différentes sont observées. Une moyenne de l’ensemble de point est alors considérée comme la courbe d’étalonnage avec toutefois une certaine incertitude sur la valeur de la concentration en MES. 2.3.4 Matériels et coûts Le tableau suivant présente les devis approximatifs proposés par différents fournisseurs au Cemagref de Lyon pour l’acquisition de sondes turbidimétriques.

HACH Lange WTW Cometec Neoteck (portable) Sonde 1 500 € 1 500 € 1 000 € 1 260 € Boîtier d'acquisition 3 500 € 2 400 € 2 000 € 800 € Accessoires 0 1 000 € compresseur 0 Concentration maximale 150 g/l 300 g/l 1-50 g/l Auto nettoyage micro balai ultra son air comprimé

Les prix annoncés sont des prix hors taxe proposés par des fournisseurs en 2009 au Cemagref de Lyon. Les accessoires de WTW sont notamment l’alimentation et le module de sortie analogique (permettant d’avoir un gain de précision d’enregistrement de la turbidité à basse concentration). Le système proposé par Cometec nécessite l’acquisition d’un compresseur afin de pouvoir se doter d’air comprimé pour nettoyer automatiquement le capteur. Le système proposé par Néoteck est portable (figure 19), il dispose d’une autonomie d’une semaine et peut stocker jusqu’à 100 000 mesures.



Figure 19 : Exemple de turbidimètre portable (source internet anhydre)

Les échantillonneurs proposés par les constructeurs sont de deux types du même principe. Les prix sont présentés dans le tableau ci dessous.

ISCO SIGMA échantillonneur 2 800 € 2 200 €

Une centrale d’acquisition OTT ou CPL coûte 1300 € chez OTT. Elle permet un stockage de 500 000 mesures. La centrale dispose de deux entrées analogiques (faibles ou fortes turbidités). Les seuils de turbité sont programmables sur les deux voies. Par exemple, le Cemagref de Lyon a programmé :

• [4 mA ; 20 mA] � [0mg/l ; 2g/l] pour la gamme basse • [4 mA ; 20 mA] � [0mg/l ; 150g/l] pour la gamme haute

Le modem coûte :

• 270 € chez Hydro service • 400 € chez OTT.

La mise en œuvre d’une station automatique complète coûte ainsi autour de 10 000 €. 2.3.5 Retour d’expérience du Cemagref de Lyon Le Cemagref de Lyon travaille sur des torrents alpins dont la dynamique très rapide impose un suivi en continu et automatique des chroniques. Les périodes de hautes eaux et de forts transports solides se produisent à la fonte des neiges avec une cyclicité journalière très marquée (la nuit la neige fond moins). Associées à ces variations de débits, les variations de concentration présentent également des cyclicités journalières et sont les plus importantes à la fonte des neiges (printemps et été). En hiver, les écoulements sont très faibles et les manteaux neigeux recouvrent la plupart des surfaces empêchant ainsi les érosions des versants. Les concentrations en MES sont très fortes à proximité des zones de production des sédiments (plus de 100 g/l ont été mesurés au maximum sur l’Arvan affluent de l’Arc). Plus à l’aval dans le réseau hydrographique (par exemple sur l’Isère à Grenoble), les concentrations sont moins élevées (jusqu’à 15g/l). Ces concentrations importantes imposent au Cemagref de travailler en unité TS non normalisée mais non bornée également. Les cycles journaliers permettent également un très rapide calage de la courbe d’étalonnage pour les basses concentrations avec un échantillonneur effectuant des prélèvements automatiques toutes les heures sur 24 heures. Le Cemagref enregistre classiquement une mesure tous les quarts d’heure soit 96 mesures par jour ou par cycle hydrologique.



Lié aux activités hydro électriques, le Cemagref est soumis à des aléas dans la mise en œuvre des stations. Une des stations a en effet été mise en place à l’aval d’un important rejet hydroélectrique dont les écoulements ne sont pas chargés en MES. Malgré le caractère torrentiel du cours d’eau, la longueur de mélange des écoulements de l’Arc et de ceux du rejet est très importante et le capteur est placé dans le panache moins turbide du rejet. Les mesures de turbidité du capteur ne sont donc pas exploitables car très dépendantes des débits du rejet. Dans un souci d’uniformité de matériel de ses stations, les turbidimètres sont exclusivement des Hach Lange avec un micro balai. Ce type de matériel se montre peu robuste et présente de la casse des balais mécaniques. Un système ultra son est plus recommandé pour ces appareils de mesure. 2.4 Synthèse La poursuite de la mesure des flux de MES à Blois dans les années à venir reste intéressante afin de caractériser les flux naturels des matières en suspension (et ce pour des années hydrologiques plus puissantes avec des crues conséquentes). Dans le cadre de travaux de restauration de cours d’eau (arasement de barrage, re méandrage, …), un suivi des flux de MES avant, pendant et après les travaux peut permettre d’évaluer l’impact des aménagements sur les flux de MES et donc sur un des paramètres du milieu. Pour ce faire, la mise en œuvre de stations de mesures pérenne peut se révéler être intéressante car permettant d’accroître le réseau de suivi tout en garantissant une mesure continue des flux.



3 Mesure du transport solide charriage et saltation La mesure de ce type de transport solide est expérimentale et très peu pratiquée en France. A notre connaissance, dans le domaine fluvial, seul 2 organismes de recherche français travaillent sur cette thématique (Cemagref de Lyon et université de Tours). Le Cemagref de Lyon n’a pas encore eu l’occasion de mettre en œuvre les outils de mesure sur le Rhône (déploiement programmé dans le cadre de l’OSR en partenariat avec la CNR en 2012). L’université de Tours a réalisé ce type de mesures en Loire en 2006 et en 2010. Le LRPC de Blois s’est rapproché de cette structure pour réfléchir au protocole de mesure. Certains pays de l’Europe de l’Est et des pays anglo-saxons ont également réalisé des mesures (Danube et rivières du Canada) mais selon des protocoles expérimentaux également.

3.1 Protocole de mesure

3.1.1 Les outils de mesure Le protocole de mesure de transport solide par charriage et saltation sur lequel le LRPC de Blois souhaite s’engager s’inspire très fortement du protocole de mesure qui avait été mis en œuvre par messieurs Jean Noël Gauthier de l’agence de l’eau, Stéphane Rodrigues de l’université de Tours, Jean Jacques Peeters de l’université de Bruxelles et Philipe Juge de l’université de Tours en 2006 lors d’une expérimentation de mesure du transport solide en Loire à Bréhémont (37). Pour ce faire, plusieurs types de matériels disponibles au LRPC de Blois sont utilisés : le BTMA (figure 20) pour la mesure du charriage, la bouteille de Delft (figure 21) pour la mesure de la saltation et un cône pour des prélèvements de sédiments du lit (figure 22).

Figure 20 : Déploiement du BTMA sous le pont de Chinon avec l’Université de Tours et récupération de

l’échantillon, 2007

Figure 21 : Déploiement de la Bouteille de Delft sur traîneau à Chinon avec l’Université de Tours, 2007



Figure 22 : Cône Berthois de l’Université de Tours, 2007, similaire à celui du LRPC de Blois

Le principe du BTMA et de la bouteille de Delft consiste en un piégeage des sédiments dans l’appareil de mesure. L’appareil est tout d’abord disposé dans la colonne d’eau (bouteille de Delft) ou au fond du lit (BTMA). Il y est laissé en place pendant une certaine durée pendant laquelle les sédiments sont piégés dans les appareils. Les outils sont ensuite remontés et leurs contenus sont vidés, quantifiés puis stockés en vue d’une analyse plus fine en laboratoire. Le croisement du volume de sédiment piégé avec la durée du piégeage permet de déterminer le flux de sédiment charrié (BTMA) ou en saltation (bouteille de Delft). 3.1.2 Le protocole de mesure La disposition des mesures de transport solide d’un cours d’eau repose sur le même principe qu’un jaugeage liquide au moulinet ou au saumon. Les mesures sont effectuées sur un maillage couvrant un profil en travers. Lors d’un jaugeage liquide, le maillage est défini de façon à couvrir l’ensemble de la section. Il doit permettre en outre de bien définir et quantifier les écoulements dans les zones de plus forts débits. Un maillage plus fin est donc réalisé dans les veines de courant principal. Des verticales de mesures sont couramment réalisées afin de déterminer des profils verticaux de vitesses d’écoulement. Pour la mesure du transport solide des verticales de mesure sont également réalisées. A chaque verticale de mesure sont réalisés :

• Un prélèvement au BTMA. • Un prélèvement au cône des sédiments du fond. • Des prélèvements à la bouteille de Delft en réalisant un maillage plus important à proximité du fond

où ce phénomène est important. 5 prélèvements sont couramment réalisés (10 cm ; 30cm et 50 cm du fond ; au tiers et au deux tiers de la hauteur d’eau dans la colonne d’eau). Pour les prélèvements à proximité du fond, la bouteille de Delft est disposée sur une potence permettant un positionnement tous les 10 cm à partir du fond (figure 21). Pour les prélèvements dans la colonne d’eau, l’appareil est immergé dans la colonne d’eau à partir d’un câble seul.

Ces verticales de mesures doivent être positionnées de façon à bien caractériser le charriage de la section par un suivi discret. Les zones de transport solide important (chenaux) devront être suivies tout comme les autres zones. La figure 23 illustre un exemple de localisation des mesures de transport solide dans une section.



0

1

2

3

4

5

0 50 100 150 200 250 300distance à la berge (m)

prof

onde

ur (

m)

bathymétrie

BTMA et cône

Delft

Figure 23 : Illustration de la localisation des prélèvements effectués lors d’un jaugeage solide (profil bathymétrique issu du jaugeage aDcp de la Loire à Blois réalisé le 29 novembre 2008 par la DIREN Centre) En Loire, une partie du déplacement des grains sur le fond s’effectue par la progression de barres sédimentaires ou dunes. En un même point, selon l’arrivée ou le départ de cette forme, l’intensité du charriage est radicalement différente. Aussi, la mesure du charriage par le BTMA doit être répétée sur chacune des verticales de mesure (de 5 à 6 fois). Théoriquement, il devrait en être de même pour les mesures à la bouteille de Delft mais dans un souci de temps, les prélèvements de la bouteille de Delft sont uniquement doublés. Le choix de la durée de capture des appareils de mesure dépend de l’intensité du transport solide. Par exemple, si le charriage est faible, l’opérateur pourra augmenter le temps de capture. La durée doit être suffisamment longue pour avoir toujours un volume de sédiments conséquent piégé dans les appareils. Il ne doit pas être trop important pour ne pas combler les appareils lors de la mesure (et ne pas piéger une partie des sédiments transportés au fond). Typiquement, le BTMA reste immergé entre 2 et 4 minutes. La bouteille de Delft nécessite une immersion plus longue (de 4 à 10 minutes). A l’issue de chaque mesure, les appareils sont remontés et vidés de leurs contenus. Le volume de ces derniers est estimé sur place a l’aide de béchers et fioles jaugées (figure 23). Les échantillons sont ensuite conservés pour une analyse ultérieure en laboratoire.

Figure 23 : Exemple de mesure in situ des volumes de sédiments piégés par le BTMA (2007)



3.1.3 Les mesures complémentaires La mesure du transport solide par le piégeage des sédiments est complétée par un suivi de l’évolution des fonds ainsi qu’une mesure de la courantologie locale. La mesure bathymétrique doit s’effectuer en parallèle des mesures de transport solide de façon à caractériser au mieux les évolutions journalières des fonds sur le site encadrant le profil de mesure du transport solide. La campagne de mesure de transport solide (réalisation de l’ensemble des mesures de piégeage des sédiments dans l’ensemble d’une section de mesure) dure toute la journée. Les mesures de l’évolution des fonds et de la courantologie locale au droit de la section de mesures doivent être effectuées en début et en fin de journée afin de mesurer les évolutions des conditions hydrauliques et des fonds lors des mesures. Les fonds doivent être caractérisés par un profil en travers au droit des mesures de transport solide mais également par des profils en long (100 à 200 m de long pour la Loire) centrés sur les verticales de mesure. La courantologie doit être mesurée au droit du profil en travers qui est exploré par les mesures. Lors de la journée, si les moyens humains le permettent, des mesures complémentaires de bathymétrie et de courantologie peuvent être réalisées sur l’ensemble du secteur encadrant le profil des mesures. Ces mesures doivent être effectuées sur des profils en travers et des profils en long afin de comprendre le cadre global des mesures (déplacement local de système dunaire par exemple). Si les mesures de transport solide sont réalisées sur plusieurs jours, la répétition des mesures bathymétriques sur l’ensemble de la zone peut permettre de suivre les évolutions des fonds et de la courantologie sur l’ensemble du secteur. L’analyse des mesures effectuées par les appareils de piégeage sera mise en relation avec les évolutions des conditions hydrauliques, de courantologie et des fonds au droit du profil mais également sur l’ensemble du secteur. Les mesures complémentaires sont réalisées avec une embarcation motorisée ainsi qu’un sondeur acoustique et un aDcp pour réaliser les mesures de courantologie. La section suivante permet de préciser les mesures mises en œuvre par l’université de Tours en 2010.



3.2 Retour d’expérience de l’université de Tours L’université de Tours a réalisé en 2010 des mesures de transport solide sur la Loire moyenne à Bréhémont (37) à l’aval de la confluence avec le Cher et à l’amont de celle de la Indre. Ces mesures ont été conduites après les mesures prospectives réalisées à Chinon (37) à proximité de l’emplacement du matériel de l’université. Ces mesures ont été réalisées dans le cadre de la thèse de Nicolas Claude, thésard sous la direction de Stéphane Rodrigues qui avait réalisé les mesures bathymétriques en Loire en 2006 et sur lesquelles s’inspire le protocole de mesure. L’université de Tours dispose de deux barges types « ostréicoles » qui servent de support au déploiement du BTMA et de la bouteille de Delft. Les deux barges sont solidarisées La figure 24 présente le dispositif global lors de la mesure qui a été conduite le 10 mars 2010 date à laquelle le LR de Blois a été associé aux mesures.

Figure 24 : Ensemble des embarcations lors de la mesure du transport solide

L’ensemble du dispositif est stabilisé par une ancre à l’amont. Durant la journée, le dispositif est déplacé au droit de chacune des verticales de mesure. Un ensemble de bouées préalablement installé sur le profil marque la position des verticales de mesures. Une embarcation est située à l’aval du dispositif pour assurer la sécurité des usagers en cas d’incident sur les barges. Sur une des barges se situent deux potences (une destinée au déploiement du BTMA et l’autre pour la bouteille de Delft). La figure 25 illustre ces dispositifs.

Figure 25 : Potence pour le déploiement de la bouteille de Delft (gauche) et le BTMA (droite)

Les outils de mesures sont mis en œuvre au fond du lit par des systèmes de treuils via les potences qui pivotent vers l’embarcation (récolte des matériaux piégés dans les appareils) ou vers les écoulements (mesure). La bouteille de Delft est disposée à 10, 20 et 30 cm du fond pendant une durée de 6 minutes. Les mesures sont systématiquement doublées. Les mesures au BTMA sont réalisées 7 fois par verticale de mesure. A chaque mesure, le piégeage dure 4 minutes.



Ces mesures proposées dans le protocole du laboratoire de Blois sont complétées par des prélèvements d’eau par une bouteille Niskin à 50 cm du fond, la moitié de la profondeur ainsi qu’en surface. Ces prélèvements d’eau sont stockés en vue d’analyser la fraction de matière en suspension qui s’y trouve. La bouteille Niskin est un outil qui permet de prélever des échantillons d’eau à une certaine profondeur. La figure 26 présente la bouteille de l’université de Tours.

Figure 26 : Bouteille Niskin de l’université de Tours

Cet outil consiste en un tube creux dont les fermetures à chaque extrémité sont commandées à distance. Le tube (position ouverte) est descendu via un câble à la profondeur voulue puis la fermeture est enclenchée. Le dispositif fermé est alors remonté à la surface. Le volume d’eau piégé à l’intérieur est conservé. Sur la figure 26, un dispositif est observé sur l’appareil permettant à la bouteille de se placer dans le sens de l’écoulement. Pour des soucis de conservation de la fraction fine des sédiments, l’université de Tours réalise à chaque verticale de mesure en fin d’expérimentation un prélèvement du matériau du lit avec un outil nommé USBM. La figure 27 illustre cet outil. Il permet de creuser dans le sédiment meuble du lit et d’en extraire un certain volume. Lorsque l’outil remonte, les écoulements ne lessivent pas les matériaux comme c’est le cas pour le cône Berthois (figure 22). Le prélèvement au fond du lit est doublé. Un profil de vitesse est également réalisé à chaque verticale de mesure via un petit saumon solidaire d’une barge. La figure 28 présente cet outil. Une autre embarcation (figure 29) réalise enfin la bathymétrie et la courantologie sur un protocole de mesure bien établi.

Figure 27 : USBM de l’université de Tours

Figure 28 : petit saumon de l’université de Tours

Figure 29 : embarcation de l’université de Tours qui réalise les mesures de



bathymétrie et de courantologie L’université de Tours a réalisé des mesures de transport solide sur plusieurs campagnes d’une durée de plusieurs jours (mesures sur une semaine complète au maximum). Les mesures se sont déroulées dans des conditions hydrologiques variées (en période de crue et de décrue) afin de qualifier au mieux les dynamiques sédimentaires. Chaque jour, six verticales de mesure de transport solide ont été réalisées. Compte tenu des retours d’expériences des mesures, lors de la visite du LRPC de Blois (le 10 mars 2010), le protocole de mesure était le suivant :

• Bouteille de Delft : 2 prélèvements à 10, 20 et 30 cm du fond. Durée de piégeage : 6 minutes. • BTMA : 7 prélèvements. Durée de piégeage : 4 minutes. • Bouteille de Niskin : 1 prélèvement à 50 cm du fond, la moitié de la hauteur d’eau et en surface. • USBM : deux prélèvements. • Un profil de vitesse au moulinet.

Lors des expérimentations de l’université de Tours, le nombre d’opérateurs était suffisant pour assurer le fonctionnement simultané de chacun des ateliers de mesures. Sur les barges, se trouvaient ainsi au minimum 8 personnes réparties comme suit :

• 2 opérateurs pour la bouteille de Delft. • 2 opérateurs pour le BTMA et l’USBM en fin d’expérimentation. • 2 opérateurs pour la bouteille Niskin et le profil de vitesse. • 2 opérateurs en charge de la surveillance des écoulements et de la sécurité des embarcations.

En parallèle de ces mesures de transport solide, les bathymétries et les profils de vitesses des écoulements du site ont été effectués monopolisant 2 personnes supplémentaires. Dix personnes étaient ainsi nécessaires au bon déroulement des mesures. Ces agents ont été recrutés parmi le personnel de l’université de Tours mais également parmi les étudiants pour qui ces mesures faisaient partie intégrante de leur formation. Avec l’ensemble de ces personnels, chaque verticale de mesure était effectuée en 1 heure et quart environ. En une journée, il était ainsi possible de réaliser 6 verticales de mesures. A titre d’information, les résultats des mesures effectuées sur une des verticales de mesure le 10 mars 2010 sont les suivantes :

• BTMA (ml) : 20, 640, 37, 12, 7, 580, 5, <1 • Bouteille de Delft (ml) : 40, 40, 15.2, 1.8, 05, 0.8

Les disparités importantes des valeurs de volumes mesures indiquent la nécessité de les répéter. Le transport solide est soumis à des pulsations globales. La valeur moyenne du transport solide est à nuancer avec ces fluctuations. Les temps de piégeage semblent toutefois être satisfaisants. Le LRPC de Blois dispose également des outils de piégeages que sont le BTMA et la bouteille de Delft. Il ne dispose toutefois pas de barges comme l’université de Tours pour déployer ces outils in situ. Les barges de l’université de Tours sont un outil très intéressant. Elles sont localisées sur le site de Chinon (Vienne) et peuvent être déployées jusqu’en Loire (sur le site de Bréhémont notamment) selon les conditions de navigation. Conscient des vélléités fortes de la DREAL Centre sur la connaissance des flux solides de la Loire et de ses affluents le LRPC de Blois s’est intéressé aux modes de déploiement des outils de mesure.



3.3 Essais de déploiement des appareils de mesure p ar le LRPC de Blois Le LRPC de Blois réalise couramment des bathymétries avec des types d’embarcation selon les conditions hydrauliques. Une des embarcations est un zodiac de trop petite taille pour permettre un déploiement des outils. L’autre bateau est présenté sur la figure 30.

Figure 30 : Embarcation Thétys du LRPC de Blois

Cette embarcation dispose d’un espace à l’arrière qui pourrait permettre de vider les outils des sédiments piégés. Il n’existe pas de potence sur l’embarcation pour mettre en œuvre les outils au fond du lit. Ce type de potence peut facilement s’implanter. Toutefois, si une potence est bien mise en œuvre sur cette embarcation, la stabilité de celle-ci risque d’être compromise. Ce bateau présente effectivement un fond plat pour répondre aux problèmes des faibles tirants d’eau des mesures. Des études ont été réalisées et ont permis la constitution d’un flotteur disposé latéralement qui devrait permettre d’augmenter la stabilité de l’embarcation. La potence n’a pas été mise en œuvre car le dispositif du flotteur présentait des risques d’embâcles et car la place disponible à l’arrière de l’embarcation n’est pas importante et se situe au dessus du compartiment moteur. En cas d’incident technique, la trappe doit être accessible immédiatement. L’ensemble de ces facteurs a conduit à l’abandon de ce mode de déploiement. Une recherche d’autres modes de déploiement de matériels en rivière a rapidement conduit le LRPC de Blois à se rapprocher de l’équipe hydrométrique de la DREAL Centre qui réalise des opérations de jaugeage depuis des ponts. Ces équipes plongent des saumons (outil disposant d’une hélice permettant de mesurer les vitesses d’écoulement) dans les écoulements pour mesurer les champs de vitesses et évaluer les débits. Ce déploiement se met en œuvre à partir d’une fourgonnette qui dispose d’une potence télescopique intégrée à la structure. Des essais ont été réalisés à Orléans sur la passerelle de l’Europe lors d’une crue de la Loire (le 27 janvier 2009 : crue de l’ordre de 1000 m3/s). La figure 31 illustre ces essais.



Figure 31 : Essais de déploiements des outils de mesure du transport solide depuis un camion jaugeur

(BTMA à gauche et bouteille de Delft à droite) Les essais se sont montrés concluants : les outils de mesures sont relativement bien profilés et n’ont pas généré d’obstacles importants aux écoulements. Lors de l’immersion des appareils, le câble de liaison n’a pas présenté d’angle dangereux (figure 32).

Figure 32 : Angle du câble lors de l’immersion

du BTMA Figure 33 : Difficultés de déploiement de la bouteille de Delft

et de son portique Un moteur est présent dans le camion jaugeur pour permettre une montée et une descente motorisée des outils. Le site sur lequel se sont déroulés les essais est le pont à partir duquel les jaugeurs effectuent leurs jaugeages avec ce type de méthode. Cet ouvrage présentait une rambarde de sécurité imposante : haute et large. La potence était suffisamment longue pour passer cet obstacle pourtant, la hauteur et la largeur du garde corps a rendu l’opération de récupération des outils difficile (figure 33). La bouteille de Delft munie de son portique est en effet particulièrement lourde (66 kg contre 32 kg pour le BTMA). Le LRPC de Blois ne dispose pas d’un camion jaugeur. L’acquisition d’un tel véhicule n’est pour le moment pas envisagée. La DREAL Centre a toutefois indiqué qu’elle disposait d’un camion jaugeur ancien qu’elle comptait rendre aux domaines. Son acquisition par le LRPC de Blois pourrait être envisageable mais n’a pas été réalisée. Le LRPC de Blois préfère utiliser des véhicules lui apparentant déjà. Il dispose notamment d’un fourgon simple muni d’un crochet d’attelage. Une potence en aluminium a été réalisée en interne pour permettre de mettre en œuvre les outils de transport solide sur le principe de la DREAL Centre. Cette potence s’installe sur le crochet d’attelage derrière le fourgon. Le câble de déploiement de l’outil est également motorisé. La figure 34 présente une illustration de cette potence.



Figure 34 : Potence du LRPC de Blois

Cette potence n’a fait l’objet d’aucun contrôle en terme de sécurité. Par ailleurs, le poids de l’ensemble de l’installation n’a pas permis de poursuivre cette piste. 3.4 Autres mesures effectuées par le LRPC de Blois Le LRPC de Blois a participé à de nombreux essais de mise en œuvre à Chinon avec l’université de Tours (campagnes de 2005, 2007 et 2009). La présence des barges et leurs conforts en terme de place disponible permettait de mettre en œuvre ces essais. L’université de Tours était par ailleurs tout à fait intéressée par ce type d’essai car elle est impliquée par des problématiques de recherche sur le transport solide. Les seules mesures de transport solide qui ont été réalisées en Loire l’ont été dans le cadre de la thèse de Stéphane Rodrigues qui encadre la thèse actuelle de Nicolas Claude et dont un des objectifs est de réaliser des mesures de transport solide. Afin de mettre en œuvre les potences utilisées sur les barges de l’université de Tours, des tests d’effort sur le câble ont été réalisés avec des pesons (figure 35). Ces essais ont notamment permis d’évaluer les efforts que supporte le câble au moment de l’immersion des outils dans les écoulements.

Figure 35 : Test d’effort sur le câble à l’aide d’un peson

Des essais de protocole de mesure du transport solide ont également été réalisés en 2009. Les potences ont alors été finalisées et testées. Des prélèvements ont été réalisés à la fois avec la bouteille de Delft et avec le BTMA.



Figure 36 : Essai de déploiement de la bouteille de Delft à Chinon (2009)

Figure 37 : Essai de déploiement du BTMA à Chinon (2009)

Le protocole de mesure de transport solide ainsi que des remarques concrètes sur sa mise en œuvre ont été réalisées. Des comptes rendus de manipulations ont été systématiquement rédigés synthétisant toutes les remarques. Des essais d’immersion d’une caméra sur un des patins du BTMA ont été réalisés (figure 38). Ces essais ont notamment montré que :

• l’alimentation du BTMA n’était pas satisfaisante (la « bouche » n’est pas plaquée contre le fond mais est située à 1 ou 2 cm de celui ci (figure 39)). Les sédiments piégés sont donc plus des sédiments en saltation que du charriage strict.

• Malgré les conditions de faibles débits lors de la mesures, le transport solide est présent et de façon relativement intense.

• La présence de formes sédimentaires type dunes qui progressent et qui induisent une cyclicité locale des volumes piégés.

Figure 38 : Dispositif de film de l’entrée du BTMA Figure 39 : Exemple de photographie du film du BTMA en phase de piégeage

Le dispositif permettant d’immerger l’appareil photo appartient à M. Jugé de l’université de Tours. Ce type d’instrumentation est onéreux. Lors de l’expérimentation, les conditions de débits faibles induisait très peu de matières en suspensions. L’ensoleillement garantissant ainsi une bonne visibilité au niveau du fond du lit. Lors des mesures en Loire (profondeurs plus importantes) et en crue (turbidité plus importante), il est



vraisemblable que la visibilité ne soit pas aussi bonne (voire nulle). Ces mesures permettent toutefois de visualiser des conditions de transport solide « naturel » et ce pour des débits faibles. Elles permettent également de montrer les limites de la mesures avec le BTMA :

• En cas de fonds homogènes, l’entrée du BTMA n’est pas plaquée contre le fond. • Le positionnement des patins sur les dunes peut induire un mauvais positionnement de l’entrée du

piège. Enfin, différents appareils de mesure de courantologie ont été testés. Ces tests ont été conduits avec plusieurs appareils aDcp du constructeur RDI dont deux outils empruntés à la DREAL (figure 40) et un appareil appartenant à l’université de Tours (figure 41).

Figure 40 : aDcp RDI 2400 et 1200 kHz

de la DREAL Centre Figure 41 : aDcp RDI 600 kHz de l’université de Tours

Ces expérimentations ont notamment montré que l’outil de l’université de Tours était adapté aux grandes profondeurs (applications maritimes). Pour des mesures en Loire, un aDcp de fréquence 1200 kHz est plus adapté. La courantologie est un paramètre essentiel pour mieux appréhender le transport solide dans son ensemble. La mesure correcte des champs de vitesse est ainsi essentielle.



3.5 Synthèse

La mesure du transport solide de charriage et de saltation est lourde à mettre en œuvre, pose des problèmes concrets de déploiement des outils et est très gourmande en temps et en agents. Le suivi de phénomènes de crues nécessite une réactivité très importante et une disponibilité indépendante des week ends et jours fériés (statistiquement, une crue se produit toujours sur une période comprenant des jours non ouvrables ou pendant des congés scolaires). L’université de Tours est un organisme de recherche universitaire qui dispose d’une main d’œuvre étudiante nombreuse. Une grande partie des chercheurs est par ailleurs potentiellement mobilisable à moins d’une semaine d’échéance (durée moyenne de prévision d’une crue de la Loire à l’aval de Tours) et ce y compris les week-ends pour assurer un suivi (même partiel) d’une crue dans son ensemble. L’université de Tours ne réalise par ailleurs ces mesures que sur le site de Bréhémont facilitant les aspects de l’organisation matérielle des mesures. Enfin, l’université de Tours a réussi à acquérir et mettre en œuvre l’ensemble de ces mesures grâce à un thésard dédié à ces dernières et assistés par des agents d’expérience (M.Rodrigues et M. Jugé). L’ensemble de ces facteurs a permis à l’université de Tours de mettre en œuvre des mesures de transport solide durant l’année 2010-2011. Le LRPC de Blois cumule les mesures expérimentales avec les impératifs des chantiers bathymétriques professionnels souvent imposés (condition de marée, délais des prestations, …). Par ailleurs, cet organisme doit assurer une veille technologique en acquérant et en se formant aux nouveaux outils de la bathymétrie professionnel (sondeur multi faisceau, aDcp, nouveaux systèmes de positionnement). L’ensemble de ces facteurs et les incertitudes tant en terme d’effectifs et d’investissements expliquent pourquoi le LRPC de Blois n’a pas pu et ne pourra pas encore en 2011 mettre en œuvre des mesures de transport solide par charriage et saltation. Il a toutefois l’ensemble des outils nécessaires à leur mise en œuvre (avec encore des problèmes de déploiement des matériels). L’ensemble des contacts et des expérimentations qui ont été réalisées et formalisées par des comptes rendus ont néanmoins permis au LRPC de Blois d’avancer dans cette thématique. Selon les évolutions des activités du CETE Normandie Centre durant les années à venir, la reprise du chantier des mesures de transport solide pourra repartir de l’état actuel.

4 Conclusion Le transport solide est un phénomène mal connu et dont la compréhension peut permettre de répondre aux questionnements des gestionnaires de cours d’eau pour une gestion durable de son lit. La mesure du transport solide en suspension en Loire se réalise à l’heure actuelle de façon « artisanale » par le LRPC de Blois notamment. Il existe des méthodes de mesures en continu de ces flux vecteurs de pollution notamment. Les mesures conduites à l’heure actuelle permettent néanmoins d’évaluer grossièrement les flux et des valeurs globales de volumes de MES transitant en Loire à Blois. La mesure du transport solide par charriage et saltation est bien plus complexe à mettre en œuvre. Par manque de temps, le LRPC de Blois n’a pas pu finaliser la mise en œuvre des mesures de ce type de transport solide comme l’a réalisé l’université de Tours. Toutefois, le LRPC de Blois dispose de l’ensemble des outils nécessaires à cette mesure (sous réserve de l’acquisition d’un aDcp programmé pour 2011). Cet organisme a réalisé de nombreuses expérimentations permettant de définir un protocole de mesure complet du transport solide. Aussi, en cas d’évolution du plan de charge dans les années à venir, une mise en œuvre relativement rapide de ce type de mesure pourra être réalisée en reprenant l’ensemble des comptes rendus, de l’expérience des mesures de l’université de Tours ainsi que des contacts en DREAL Centre notamment. Le LRPC de Blois reste néanmoins très sensibilisé sur les problématiques de transport solide et de morphologie fluviale et s’investira complètement dans le projet de l’observatoire des sédiments de la Loire. Blois, le 2 mai 2011 Rapport établi par l’ingénieur des TPE Erwan LE BARBU



Annexe A : Crues 2010 suivies en MES (débits et con centrations)





CETE Normandie Centre11 rue Laplace – CS 2912�41029 BLOIS Cedex

téléphone : 02 54 55 49 00courriel : [email protected]

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CETMEF Méthodologie de mesure du transport solide...

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