Estimation de débit et mesure de vitesse en rivière par Large-scale particle image velocimetry

Abstract

Les protocoles hydrométriques en rivière ne répondent pas complètement aux besoins des hydrologues et des hydrauliciens. L'appareillage traditionnel de jaugeage est limité par son aspect intrusif, particulièrement en crue et en étiage. Cet article présente la technique Large Scale Particle Image Velocimetry (LSPIV) qui consiste à identifier par analyse d'images un champ de vitesse en surface. L'ajout d'un modèle hydraulique permet le calcul du débit. Une station LSPIV de mesure en continu et temps réel a été mise en place sur la rivière Iowa à Iowa City (USA). Les premières années de fonctionnement ont montré des estimations LSPIV de débit en bonne concordance avec la courbe de tarage du site et avec des mesures classiques. L'établissement d'une importante base de données a permis une étude de sensibilité de la technique affinée grâce à un simulateur numérique, outils capitalisant notre connaissance de la mesure et permettant d'évaluer l'importance relative de différentes sources d'erreur pour une situation donnée. Une unité LSPIV motorisée (camionnette équipée d'un bras télescopique et d'une caméra) a été développée pour permettre l'application de la méthode en sites difficiles d'accès. Cette unite s'est montrée efficace, donnant des résultats d'excellentes qualités sur les différents sites testés. Des mesures LSPIV de champ de vitesse de surface ont été utilisées par ailleurs pour la validation de la modélisation hydraulique d'une zone d'écoulement complexe (la lône de Port-Galand sur l'Ain) et pour une étude de reconstitution de formes de fond de chenal en laboratoire.

River gauging needs to be modernized to answer the questions of the hydrologists and hydraulic engineers. The intrusive aspect of classic gauging equipment (current-meter, ADCP) makes measurement impossible in lots of situations, including floods or low flows. This study deals with Large Scale Particle Image Velocimetry (LSPIV) which consists in the identification of surface velocity field by image analysis. Adding a hydraulic model leads to discharge computation. A real-time continuous LSPIV prototype was developed on the Iowa River in Iowa City (USA). The first years of operation show that LSPIV discharge estimates are consistent with the rating curve of the site and with current-meter measurements. The creation of an important database allowed a detailed sensitivity study of the technique. Error sources affecting the measurements were identified and quantified. We also developed a numerical simulator allowing more theoretical sensitivity tests. The mobile aspect of LSPIV was used in a mobile, truck based unit (truck mounted with a telescopic mast and a camera). This unit showed it reliability for measuring in sites difficult to reach. We also used LSPIV surface velocity fields for validating a hydraulic model of a complex flow area (downstream connection of an abandoned channel on the Ain River, France), and for the study the possibility of estimating the bathymetry of a channel.