Brevet FR2860588A1 — publié le 20050408

PROCEDE ET APPAREIL POUR LA MESURE DE LA VITESSE D'UN FAIBLE ECOULEMENT D'EAU La présente invention est relative à un procédé de mesure de la vitesse d'un faible écoulement d'un fluide liquide, notamment de l'eau, ruisselant en continu sur une surface et plus particulièrement sur le sol. Elle concerne également un dispositif pour la mise en uvre de ce procédé. Elle se rapporte plus spécialement encore à un procédé et un appareil de mesure de la vitesse d'un très faible débit d'eau s'écoulant sur le sol en milieu naturel, avec une épaisseur réduite de la nappe en circulation, la surface du sol pouvant être plus ou moins recouverte de végétation ou jonchée de débris végétaux abondants qui perturbent le libre mouvement de l'eau, comme c'est le cas notamment dans un écoulement de ce type à travers champs ou étendue similaire. Dans un cas de ce genre, il est en effet souhaitable de connaître avec précision les caractéristiques de cet écoulement, en particulier pour pouvoir quantifier les effets des phénomènes d'érosion du sol ou de pollution de celui-ci par des pesticides ou autres produits similaires, épandus sur la surface du sol ou ayant pu pénétrer dans la couche superficielle de celui-ci. On a déjà proposé diverses méthodes et appareils pour effectuer en laboratoire de telles mesures sur la vitesse et l'épaisseur d'une lame d'eau et en déduire la valeur de son débit, précisément pour étudier les conséquences d'un tel écoulement sur l'érosion du sol, en se plaçant dans les conditions les plus proches d'un écoulement naturel. 2 2860588 Parmi ces méthodes, les plus classiques consistent à utiliser un colorant, usuellement du permanganate de potassium, injecté en un point exactement localisé de l'écoulement pour former dans celui-ci un nuage coloré, et à chronométrer le temps de parcours de celui-ci entre deux repères convenablement espacés, généralement de l'ordre d'un mètre pour éviter une trop grande dispersion et dilution du nuage en cours d'écoulement sur le sol. Toutefois, ce procédé connu n'est guère précis car c'est en réalité le temps de déplacement du front coloré qui est mesuré, dont la vitesse est plus grande que celle du courant lui même, ce qui exige de faire intervenir des facteurs de correction plus ou moins empiriques. En effet, ceux-ci dépendent des conditions du ruissellement et de l'environnement dans lequel il se produit, notamment de la charge solide qu'il incorpore en milieu naturel et de l'importance de la végétation rencontrée. De plus, ces conditions créent des situations complexes, notamment du fait de la présence de zones plus ou moins dormantes dans l'écoulement, qui piègent une partie du colorant et ne le restituent que très graduellement, faussant ainsi toute répétition des mesures et rendant; très difficile l'appréciation précise de leur incidence effective sur les mesures réalisées. Une autre approche, également connue dans la technique, consiste, pour mesurer la vitesse d'un écoulement sur le sol d'une parcelle naturelle, à intercepter une partie du flux en mouvement en plaçant sur le sol un dispositif qui capte une fraction du courant et mesure sensiblement la hauteur d'eau en cet endroit, afin de fournir une valeur convenable du débit. 3 2860588 Mais cette méthode est aussi peu précise, notamment du fait que le dispositif utilisé, comportant un micro moulinet ou élément analogue, nécessite pour sa mise en uvre une mise en vitesse de l'écoulement, donc un appel d'eau en amont, qui fausse les résultats des mesures. De plus, elle ne peut s'envisager qu'avec une profondeur d'eau minimale pour noyer le moulinet, qui n'est pas toujours atteinte avec un très faible écoulement, allant de 0,01 à 1 litre/sec et dans lequel la vitesse de déplacement est comprise entre 0,05 et 1 m/sec, comme ce peut être le cas avec un volume d'eau réduit s'écoulant au travers d'une végétation relativement serrée ou fortement chargée de débris végétaux. Encore d'autres procédés ont également été proposés, qui se révèlent aussi peu adaptées dans de telles conditions de très faible écoulement en milieu naturel et avec un épaisseur de la nappe d'eau limitée, ces procédés faisant appel à des moyens électromagnétiques, électroniques ou autres, notamment à un fil chauffé dont on mesure la résistance et qui est refroidi par l'écoulement, la vitesse de celui-ci étant déterminée par le calcul a partir de la quantité d'énergie calorifique emportée, ou encore dans lesquels dn mesure l'effet Doppler créé sur un rayon laser ou une onde acoustique réfléchie par des particules en suspension dans l'écoulement. On peut enfin procéder par imagerie numérique et éclairage laser du courant d'eau, au moyen d'appareils sophistiqués et très coûteux, peu adaptés à un usage hors laboratoire et qui à nouveau exigent des épaisseurs d'eau non négligeables, ce qui les rend en règle générale peu adaptés aux conditions précitées. 4 2860588 La présente invention a pour objet un procédé et un appareil qui évitent ces inconvénients. A cet effet, le procédé considéré, pour la mesure de la vitesse et du débit d'un faible écoulement naturel d'eau, sensiblement continu, selon une nappe d'épaisseur très réduite, à la surface du sol, notamment à travers une végétation et/ou des débris végétaux recouvrant ce sol, se caractérise en ce qu'il consiste à injecter en amont en un point de l'écoulement un traceur salin, notamment une ou plusieurs gouttes de saumure, et à mesurer, en temps réel, la conductivité apparente de l'eau en aval du point d'injection selon deux sections successives espacées l'une de l'autre dans la direction de l'écoulement, à l'aide d'au moins deux électrodes disposées dans chacune de ces sections et plongeant dans la nappe, ces électrodes étant séparées transversalement par une distance appropriée. De préférence, la première section en aval du point d'injection est située à environ 3cm de ce point, l'espace entre les deux sections étant également de l'ordre de 3cm. Avantageusement également, les deux électrodes 25 dans chaque section sont séparées d'une distance comprise entre 1 et 2 cm. L'invention s'applique plus particulièrement mais non exclusivement à un écoulement très faible dont le débit est de l'ordre de 1 litre/sec. Par ailleurs et selon une autre caractéristique du procédé considéré, on effectue une mesure multiplexée au moyen d'une pluralité d'électrodes séparées, disposées dans chaque section à distance égales les unes des autres, afin de fournir avec autant de mesures indépendantes un profil transversal de la vitesse de l'écoulement. 2860588 Avantageusement, la mesure de la conductivité apparente de l'eau entre les électrodes est répétée avec une fréquence de l'ordre de 1 kHz, l'injection du traceur salin étant renouvelée environ une fois par seconde. Selon encore une autre caractéristique du procédé conforme à l'invention, on modélise le mouvement de chaque goutte du traceur salin dans l'écoulement à l'aide d'un modèle d'advection- diffusion, dans lequel l'identification du terme d'advection fournit une estimation de la vitesse moyenne de ces gouttes. L'invention concerne également un appareil pour la mise en uvre de ce procédé, caractérisé en ce qu'il comporte un support, apte à être disposé en appui sur le sol au dessus de l'écoulement d'eau à mesurer, au moins une électrovanne reliée à une source de saumure et raccordée à au moins un et de préférence une pluralité de tubes d'injection voisins délivrant simultanément des gouttes d'eau dans l'écoulement en des points situés en amont, un premier jeu d'électrodes de mesure portées par le support pour le relevé de la conductivité apparente de l'eau, disposées selon une rampe transversale dans une première section, en. aval du point d'injection, et immergées dans la nappe à proximité du sol, un second jeu d'électrodes de mesure également disposées selon une rampe transversale dans une seconde section, en aval de la première dans la direction de l'écoulement, chaque électrode du premier jeu étant associée par paire à une autre électrode du même jeu et les électrodes des deux jeux étant associées d'une paire à l'autre dans les deux sections selon des plans sensiblement parallèles à cette direction, et un ensemble de mesure en temps réel et de multiplexage des 6 2860588 électrodes de telle sorte que les données fournies par ces électrodes dans les premier et second jeux, permettent de relever et calculer la variation dé la conductivité électrique de l'eau au passage des deux sections. Le nombre des tubes d'injection est indépendant de celui des électrodes des premier et second jeux dans chaque section. Dans un mode de réalisation préféré, les électrodes associées par paire dans ces jeux sont au nombre de 16. D'autres caractéristiques du procédé et de l'appareil selon l'invention, apparaîtront encore à travers la description qui suit d'un exemple de réalisation, donné à titre indicatif et non limitatif, en référence au dessin annexé sur lequel la Figure unique illustre schématiquement en perspective un mode de réalisation de cet appareil. Sur cette Figure, la référence 1 désigne un support plan qui peut être disposé, par des moyens d'appui de préférence réglables (non représentés), en position sensiblement horizontale juste au dessus d'un sol 2, sur lequel ruisselle en continu un écoulement d'eau 3 avec un très faible débit, de l'ordre de au plus 1 litre par seconde, la surface du sol étant en outre supposée recouverte de végétation et de débris végétaux divers, également non représentés pour ne pas encombrer la Figure, mais qui créent sur le trajet de l'eau sur le sol des obstacles multiples et limitent d'autant la vitesse de l'écoulement à mesurer, à une valeur usuellement comprise entre 0,05 et 1 m/sec. Le support 1 comporte, à son extrémité située en amont vis-à-vis de l'écoulement, une série de tubes d'injection verticaux 4, parallèles entre eux et de préférence disposés selon un plan perpendiculaire au sens de l'écoulement, ces tubes 7 2860588 étant équidistants et maintenus par une barrette 5 montée au dessus du support. Les tubes 4 sont réunis à une électrovanne 6 qui permet de les alimenter à partir d'une source de saumure de telle sorte qu'ils puissent délivrer dans l'écoulement d'eau des gouttes de celle-ci, avec des intervalles de temps correspondant chacun à un relevé de mesures sur la vitesse de déplacement de l'eau sur le sol 2. Le support 1 comporte par ailleurs deux jeux 7 et 8 d'électrodes de mesure 9, ces dernières étant figurées au même nombre de quatre dans chaque jeu pour ne pas surcharger le dessin, mais pouvant être plus nombreuses, de préférence au nombre de 16. Dans les deux jeux 7 ou 8, les électrodes 9 sont équidistantes et réparties selon des rampes transversales qui s'étendent dans deux sections parallèles et successives, de l'amont vers l'aval dans la direction de l'écoulement de l'eau. Elles sont immergées dans celui-ci au dessus du sol 2, sous le support 1. Ces électrodes 9 sont en outre associées par paire, respectivement dans le premier et le second jeux, dans des plans parallèles entre eux et à cette direction. Les paires d'électrodes 9, associées l'une à l'autre dans les deux jeux, peuvent être en nombre égal ou différent de celui des tubes d'injection 4 des gouttes de saumure en amont. Ces électrodes sont réunies à un circuit électronique schématisé en 10 sur la Figure, lui même relié par un câble 11 à un appareil (non représenté) de relevé et de traitement des mesures fournies par les électrodes. Dans le mode de réalisation représenté, les électrodes 9 dans chacun des deux jeux 7 et 8 sont séparées de l'une à la suivante d'une distance de l'ordre de 1 à 2 cm. Ces électrodes dans la rampe du 8 2860588 premier jeu 7 sont sensiblement disposées en aval à 3 cm des tubes d'injection 4 montés en amont, les électrodes du second jeu étant à environ 6 cm de ces mêmes tubes, soit dans chaque paire, à 3 cm des électrodes du premier jeu. Les électrodes 9 à l'intérieur de chaque jeu 7 ou 8 permettent deux à deux une mesure de la conductivité apparente de l'eau soit, pour un ensemble de 16 électrodes, 15 mesures distinctes. En outre, ces mesures sont avantageusement répétées une ou deux fois par seconde et transmises à l'appareil de mesure qui les enregistre et les traite, notamment en déterminant à partir des indications respectivement fournies par les électrodes des deux jeux successifs, se présentant sous forme de pics des signaux électriques générés par ces capteurs, en amont et en aval, la vitesse de l'écoulement de l'eau sur la distance exactement connue qui les sépare. Avantageusement, les électrodes 9 sont multiplexées de sorte que les 15 mesures relevées dans chaque jeu soient traitées séparément pour fournir par le calcul un profil transversal de vitesse, représentatif, par référence notamment à un modèle d'advection-diffusion approprié, de la vitesse moyenne de chaque gout,te de saumure injectée. On réalise ainsi un appareil du genre vélocimètre à traceur salin de conception simple, voire artisanale, de faible coût mais de précision appréciable, particulièrement bien adapté à son environnement et à ses conditions d'usage en milieu naturel. Bien entendu, il va de soi que l'invention ne se limite pas à l'exemple décrit et représenté ; elle en embrasse toutes les variantes. Notamment, 9 2860588 l'appareil considéré peut être utilisé pour effectuer des mesures d'écoulement dans une rigole ou tout petit chenal similaire. En outre, si dans cet exemple, on a envisagé une électrovanne unique pour alimenter les tubes d'injection 4, on pourrait aussi bien prévoir que chaque tube comporte sa propre vanne d'alimentation en traceur salin. 2860588 REVENDICATIONS 1-Procédé pour la mesure de la vitesse et du débit d'un faible écoulement naturel d'eau, sensiblement continu, selon une nappe d'épaisseur très réduite, à la surface du sol, notamment à travers une végétation et/ou des débris végétaux recouvrant ce sol, caractérisé en ce qu'il consiste à injecter en amont en un point de l'écoulement un traceur salin, notamment une ou plusieurs gouttes de saumure, et à mesurer, en temps réel, la conductivité apparente de l'eau en aval du point d'injection selon deux sections successives espacées l'une de l'autre dans la direction de l'écoulement, à l'aide d'au moins deux électrodes disposées dans chacune de ces sections et plongeant dans la nappe, ces électrodes étant séparées transversalement par une distance appropriée. 2- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première section en aval du point d'injection est située à environ 3cm de ce point, l'espace entre les deux sections étant également de l'ordre de 3cm. 3- Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les deux électrodes dans chaque section sont séparées d'une distance comprise entre 1 et 2 cm. 4- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que on effectue une mesure au moyen d'une pluralité d'électrodes séparées, multiplexées, disposées dans chaque section à distance égales les unes des autres, afin de fournir avec autant de mesures indépendantes un profil transversal de la vitesse de l'écoulement. 5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la 11 2860588 mesure de la conductivité apparente de l'eau entre les électrodes est répétée avec une fréquence de l'ordre de 1 kHz. 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'injection du traceur salin est renouvelée environ une fois par seconde. 7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on modélise le mouvement de chaque goutte du traceur salin dans l'écoulement à l'aide d'un modèle d'advection-diffusion, dans lequel l'identification du terme d'advection fournit une estimation de la vitesse moyenne de ces gouttes. 8- Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte un support (1), apte à être disposé en appui sur le sol (2) au dessus de l'écoulement d'eau (3) à mesurer, au moins une électrovanne (6) reliée à une source de saumure et raccordée à au moins un et de préférence une pluralité de tubes d'injection (4) voisins délivrant simultanément des gouttes d'eau dans l'écoulement en des points situés en amont, un premier jeu (7) d'électrodes de mesure (9) portées par le support pour le relevé de la conductivité apparente de l'eau, disposées selon une rampe transversale dans une première section, en aval du point d'injection, et immergées dans la nappe à proximité du sol, un second jeu (8) d'électrodes de mesure (9) également disposées selon une rampe transversale dans une seconde section, en aval de la première dans la direction de l'écoulement, chaque électrode du premier jeu étant associée par paire à une autre électrode du même jeu et les électrodes des deux jeux étant associées d'une paire à l'autre dans les 12 2860588 deux sections selon des plans sensiblement parallèles à cette direction, et un ensemble (10) de mesure en temps réel et de multiplexage des électrodes de telle sorte que les données fournies par ces électrodes dans les premier et second jeux permettent de relever et calculer la variation de la conductivité électrique de l'eau au passage des deux sections. 9- Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que le nombre des tubes d'injection (4) est indépendant de celui des électrodes (9) des premier et second jeux (7, 8) dans chaque section. - Appareil selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce les électrodes (9) associées par paire dans les premier et second jeux sont au nombre de 16.