Brevet FR2779001A1 — publié le 19991126

La présente invention concerne un dispositif d'expérimentation à caractère pédagogique visant a simuler et quantifier les phénomènes d'érosion, de transport et de sédimentation dans un cours d'eau. Dans le cadre de l'étude des sciences naturelles en milieu scolaire, il est souvent intéressant tant pour les élèves que pour les enseignants, de réaliser des travaux pratiques permettant de visualiser et de quantifier concrètement les phénomènes naturels étudiés dans le cours théorique. Dans le cas particulier de l'étude pratique des phénomènes d'érosion, de transport et de sédimentation dans un cours d'eau, on n'a jusque-là utilisé que des disposi- tifs extrêmement sommaires, constitués en général par un simple bac rempli de sable. On creuse alors à la surface supérieure affleurante du sable un évidement symbolisant le lit d'un cours d'eau, et on organise un écoulement d'eau à une extrémité de cette évidement qui suit le fond dudit évidement, à la façon d'un cours d'eau. Un tel dispositif est bien entendu trop rudimentaire pour permettre une appréciation quantifiable et variée des différents phénomè- nes que l'on peut rencontrer, associés à l'écoulement d'un cours d'eau. Il existe donc un besoin d'un dispositif plus élaboré permettant de simuler qualitativement et quanitita- tivement les phénomènes d'érosion, de transport et de sédimentation, et permettant en particulier de vérifier la loi physique dite de Hjulstrôm, loi empirique selon laquelle un grain de calibre donné est arraché, transporte ou déposé en un point donné du cours d'eau, en fonction du débit d'eau ou de la pente du cours d'eau. L'invention a ainsi pour objet de réaliser un dispositif d'expérimentation qui soit simple et aisé à manier, et qui permette ainsi une simulation et une quantification des phénomènes d'érosion, de transport et de sédimentation dans un cours d'eau, avec en outre la possibilité de faire varier aisément les conditions de l'écoulement du liquide. Ce problème est résolu conformément à l'invention grâce à un dispositif d'expérimentation à caractère pédagogique visant à simuler et quantifier les phéinomènes d'érosion, de transport et de sédimentation dans un cours d'eau, comportant un bac allongé dont la partie centrale est évidée pour former une vallée se terminant par un fond accidenté, et un moyen d'amenée de liquide agencé a une extrémité du bac correspondant à l'amont du cours d'eau symbolisé. Ainsi, il suffit de déposer une certaine quantité d'un matériau granuleux, par exemple du sable, au niveau de l'extrémité du bac correspondant à l'amont du cours d'eau symbolisé, puis d'organiser l'amenée du liquide agencée au niveau de cette extrémité, pour recréer de façon expérimen- tale et voir évoluer en direct de nombreuses figures alluviales telles que l'on peut les rencontrer en vraie grandeur avec le lit d'une rivière. De préférence, le fond accidenté présente au moins un îlot surélevé et/ou des berges surélevées. On pourra aussi prévoir que l'évidement de la partie centrale forme également une vallée secondaire débouchant dans la vallée précitée, de façon à simuler un affluent du cours d'eau. Il est également intéressant de prévoir que l'évidement de la partie centrale forme, d'un côté. de la vallée, un vallon avançant vers le centre du cours d'eau symbolisé. 0 Conformément à un mode d'exécution particuliere- ment simple, on pourra prévoir que le moyen d'amenee de liquide comporte un tuyau fixé par une patte associee sur une paroi verticale d'extrémité du bac allongé, ledit tuyau étant relié à une source de liquide par un robinet de manoeuvre. Eventuellement, le dispositif pourra comporter au moins un moyen supplémentaire d'amenée de liquide, sous forme d'un autre tuyau dont l'extrémité peut être déplacée. De préférence, l'autre extrémité du bac allonge, correspondant à l'aval du cours d'eau symbolisé, présentera une paroi verticale centrale formant barrage. En particu lier, le bac allongé pourra présenter, de l'autre côté de la paroi verticale formant barrage, un espace de canalisa- tion et/ou de réception de liquide. Avantageusement encore, le bac allongé pourra présenter un plat-bord à découpe centrale sinueuse formant le bord supérieur de la vallée. De préférence enfin, le bac allongé est constitue par un corps creux léger monobloc en matière plastique, réalisé par moulage, et présentant une épaisseur faible sensiblement constante. On dispose alors d'un ensemble monobloc aisément maniable, et susceptible d'être incline longitudinalement et/ou transversalement en utilisant des cales adéquates. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre, concernant un mode d'exe(ution particulier, en référence aux figures o: - la figure 1 illustre en perspective un disposi- tif d'expérimentation à caractère pédagogique conforme a l'invention, tel qu'il se présente avant son utilisation pratique; - la figure 2 illustre le même dispositif en cours d'utilisation, après déplacement d'une certaine quantité de grains de sable provenant d'un dépôt initial effectué en amont, avec en outre une amenée de liquide supplémentaire au niveau d'une vallée secondaire. La figure 1 permet de distinguer un dispositif d'expérimentation à caractère pédagogique noté 10, essen- tiellement constitué par un bac allongé 11 dont la partie35 centrale est évidée pour former une vallée 12 se terminant par un fond accidenté 13, un moyen 30 d'amenee de liquide étant agencé à une extrémité 15 du bac 11 correspondant a l'amont du cours d'eau symbolisé. En l'espèce, on a prévu une réalisation élaborée de la vallée centrale 12 et du fond accidenté 13, de façon à reproduire différents sites de relief permettant d'effec- tuer plusieurs types d'expériences avec des écoulements de liquide et des mouvements alluviaux. C'est ainsi que le fond accidenté 13 présente au moins un îlot surélevé 16 (on en distingue ici quatre), et des berges surélevées notées 17, ici au nombre de trois. Les îlots surélevés 16 et les berges surélevées 17 se détachent ainsi du restant du fond accidenté 13 qui est essentiellement plat. Le bac allongé 11 est ici de forme générale parallélépipédique, et présente un plat-bord 14 à découpe centrale sinueuse 25 formant le bord supérieur de la vallée 12. Une extrémité 15 du bloc allongé 11 constitue l'extrémité amont du dispositif (ici l'extrémité droite sur la figure). Cette extrémité 15 du bac 11, qui correspond à l'amont du cours d'eau symbolisé, est équipée du moyen 30 d'amenée du liquide, qui est ici constitué par un tuyau souple 31 fixé par une patte associée 34 sur lai paroi verticale de l'extrémité 15, ledit tuyau étant relié a une source de liquide arrivant par un tuyau 33 par l'intermé- diaire d'un robinet de manoeuvre 32. En ouvrant le robinet de manoeuvre 32, on réalise ainsi une amenée d'ea,lu au niveau de l'amont du cours d'eau symbolisé, et l'ecu s'écoule alors en suivant le profil dessiné en baignant le fond accidenté 13, ainsi que les contours des deux rives, les îlots surélevés 16, et les berges surélevées 17. Pour pouvoir varier encore les experiences, on a prévu que l'évidement de la partie centrale forme également une vallée secondaire notée 18, débouchant dans la vallée principale précitée 12, de façon à simuler un affluent du cours d'eau. Comme cela a été illustré sur la figure 2, il suffit alors de prévoir un moyen supplémentaire d'amenée de liquide, par exemple sous la forme d'un autre tuyau 35 dont l'extrémité peut être déplacée, pour organiser une amenee supplémentaire de liquide selon une voie latérale, a la façon d'un affluent de rivière. On a également prevu ici que l'évidement de la partie centrale forme, d'un côté de la vallée 12, un vallon noté 19 avançant vers le centre du cours d'eau symbolisé. Avec le tuyau 35 précité, on peut alors aisément organiser un écoulement secondaire de liquide d'un côté ou de l'autre du vallon 19. L'autre extrémité du bac allongé 11, notée 20, correspond à l'aval du cours d'eau symbolise. Cette extrémité 20 présente ici une paroi verticale centrale 21 formant barrage. En aval de cette paroi verticale 21, on trouve, entre deux portions de plat-bord 14, un espace noté 22 de canalisation et/ou de réception de liquide, délimite par deux parois verticales, 23, formant ici un resserrement de l'amont vers l'aval. Le bac allongé 11 sera de préférence constitue par un corps creux léger monobloc en matière plastique, réalisé par moulage, et présentant une épaisseur úaible sensiblement constante. En l'espèce, ce bloc présente ainsi25 la forme d'un parallélépipède plat d'environ 5 cm de hauteur, dont les parois latérales sont notées 26. Ce bloc parallélépipédique est creux en-dessous, de sorte qu'il constitue une sorte de plaque allongée légère à manipuler. Il devient dès lors extrêmement aisé de modifier l'incli naison longitudinale et/ou transversale du bac allongjée 11l en insérant des cales adéquates (non représentées ici). Ceci permet alors de faire varier très facilement les conditions d'écoulement, et ouvre ainsi la porte a des expériences pratiques très variées. Lors des travaux pratiques, une certaine quantitée de sable est déposée au niveau de l'extrémité amonL, puis l'amenée de liquide est déclenchée en manipulant le robineti 32. L'eau passant sur le sable met alors en oeuvre des phénomènes d'érosion, de transport et de sédimentation, a l'instar des phénomènes rencontrés dans la réalite avec un véritable cours d'eau. On peut alors voir évoluer en dBrect de nombreuses figures alluviales, telles que: - divers processus et formes d'érosion, avec une micro-falaise sableuse, ou une dissymétrie de rives concaves, et/ou convexes, ou l'érosion d'un banc, d'un méandre, etc...; - un transport des alluvions, en faisant varier la vitesse de transport par suite d'une modification du débit de liquide amene: c'est ainsi que l'on peut corrobo rer par l'expérience le diagramme théorique Hjulstrôm, selon lequel un grain de calibre donné est arraché, ou transporté, ou déposé en un point donné du cours d'eau, en fonction du débit d'eau et de la pente du cours d'eau; un dépôt des matériaux, avec formation de bancs sableux, de bras morts, de méandres, ou avec une sédimenta- Lion dans un plan d'eau type lac ou delta. Les processus et figures sédimentaires évoluent naturellement en fonction de la variation des parametres concernés. Pour ainsi faire varier la nature des matrE-riaux, on pourra utiliser de l'argile, de la boue délayée dnuns de l'eau, de la terre arable, du sablon, du sable, u d"s petits gravillons ou graviers. Il peut aussi s'avereî intéressant de créer un mélange de différents matêrÀaux, éventuellement présentant des couleurs différentes pour en faciliter l'observation visuelle, afin de constaLier la différence de comportement des matériaux. Il est egalement possible de rajouter des petits branchages de quelques centimètres de long de façon à simuler l'arrachage et le transport de troncs d'arbres lors d'une crue. On peut aussi simuler les variations de quantité d'alluvions, en faisant varier la quantité de matériaux déposée en amont de la vallée, ainsi que la fréquence de ces dépôts. Dans la pratique, il sera nécessaire de recharger régulièrement au début de l'expérience pour créer les premières zones sédimentaires et régulariser le fonctionne- ment. On pourra en particulier simuler des surcharges sédimentaires en faisant varier la quantité de matériaux en même temps que le débit, à la façon d'une crue ou d'un éboulement venant barrer le lit d'une rivière de montagne par exemple. On pourra bien entendu observer les effets de l'inclinaison du fond du lit, en faisant varier la pente du bac allongé (selon une direction longitudinale et/ou transversale). Il sera alors aisé de constater qu'avec un même débit constant, l'activité alluvionnaire change en fonction de l'inclinaison. En outre, en basculant légere- ment le bac allongé sur un côté ou sur l'autre, la disposi- tion du fond et le mode alluvionnaire est modifié en conséquence. Enfin, en jouant sur le débit de liquide, il est possible de simuler des crues et des débits d'étiage. Cependant, il est intéressant de laisser un débit régulier25 pendant un long moment, car celui-ci permet de régulariser le processus alluvionnaire, et d'obtenir des zones de plages et de bancs, et des zones dégagées par l'érosion, qui correspondent à une équilibre dynamique. A ce moment, les phénomènes d'érosion, de transport et de sédimentation cessent, et on obtient un véritable "paysage" alluvial très caractéristique. Un tel paysage est illustré sur la figure 2, et on constate que du sable 40 s'est répandu sur le fond accidenté 13 du bac allongé 11 par suite d'un écoulement principal de liquide schématisé par la flèche 50, et35 éventuellement d'un écoulement complémentaire par la vallée secondaire 18 schématisé par la flèche 51. La flèche 52 sert à schématiser l'écoulement du liquide en aval de la paroi formant barrage 21. La présence du vallon 19 permet aussi de simuler des perturbations apportées au cours général de l'écoulement central. Ce petit vallon en activité correspond, par exemple, à un très fort orage localisé sur un bassin, versant latéral à une rivière plus importante en montagne par exemple. On pourra utiliser le tuyau 35 représenté sur la figure 2, ou en variante utiliser un arrosoir avec sa pomme pour simuler la pluie, ou sans sa pomme pour simuler un simple écoulement au fond du lit. Sur la longueur du fond accidenté, se trouvent ainsi différentes zones de sable 40 correspondant a des zones de sédimentation, et d'érosion et de transport, conformément au diagramme de Hjulstrôm. On a pu ainsi observer le comportement d'un grain de 1 mm de diamètre: avec une vitesse d'un centimètre par seconde pour le courant, le grain se dépose ou reste sur le fond, tandis qu'avec une vitesse de 10 centimètres par seconde, le grain est transporté par le courant mais n' est pas arraché sur le fond; enfin, si la vitesse du courant est de 100 centimètres par seconde, le grain est alors arraché sur le fond et transporté. Une fois les expériences terminées, il est aise d'enlever le sable qui a servi, et d'enlever le sable qui a servi par un simple jet d'arrosage dirigé sur la vallée centrale 12 du bac allongé 11, et de ranger le bac avant une autre expérience ultérieure. On est ainsi parvenu à réaliser un dispositif d'expérimentation à caractère pédagogique qui est de structure simple, et permet de multiples experienices servant à simuler et quantifier différents phénomènes d'érosion, de transport et de sédimentation dans un cours35 d'eau. L'invention n'est pas limitée au mode de réaliscia tion qui vient d'être décrit, mais englobe au contraire toute variante reprenant, avec des moyens équivalents, les caractéristiques essentielles énoncées plus haut. REVEND I CATIONS 1. Dispositif d'expérimentation à caractere pédagogique visant à simuler et quantifier les phénomènes d'érosion, de transport et de sédimentation dans un cours d'eau, caractérisé en ce qu'il comporte un bac allongé (11) dont la partie centrale est évidée pour former une vallée (12) se terminant par un fond accidenté (13), et un moyen (30) d'amenée de liquide agencé à une extrémité (15) du bac (11) correspondant à l'amont du cours d'eau symbolisé. 2. Dispositif selon la revendication 1, caracte- risé en ce que le fond accidenté (13) présente au moins un îlot surélevé (16) et/ou des berges surélevées (17). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'évidement de la partie centrale forme également une vallée secondaire (18) débouchant dans la vallée précitée (12), de façon à simuler un affluent du cours d'eau. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 a 3, caractérisé en ce que l'évidement de la partie centrale forme, d'un coté de la vallée (12), un vallon (19) avançant vers le centre du cours d'eau symbolisé. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moyen (30) d'amenée de liquide comporte un tuyau (31) fixé par une patte associée (34) sur une paroi verticale d'extrémité (15) du bac allongé (11), ledit tuyau étant relié à une source de liquide par un robinet de manoeuvre (32). 6. Dispositif selon la revendication 5, caracté risé en ce qu' il comporte au moins un moyen supplémentaire (35) d'amenée de liquide, sous forme d'un autre tuyau dont l'extrémité peut être déplacée. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'autre extrémité (20) du bac allongé (11), correspondant à l'aval du cours d'eau symbolisé, présente une paroi verticale centrale (21) formant barrage. 8. Dispositif selon la revendication 7, calracte- risé en ce que le bac allongé (11) présente, de l'autre côté de la paroi verticale (21) formant barrage, un espace (22) de canalisation et/ou de réception de liquide. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le bac allongé (11) est de forme générale parallélépipédique, et présente un plat-bord (14) à découpe centrale sinueuse (25) formant le bord supérieur de la vallée (12). 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le bac allongé (11) est consti- tué par un corps creux léger monobloc en matière plastique, réalisé par moulage, et présentant une épaisseur faible sensiblement constante.