Contribution à l'amélioration des méthodes de suivi des débits des rivières en temps réel et différé

La gestion des ressources hydriques necessite la connaissance des debits actuels et futurs des cours d’eau, pour les etudes d’impact environnemental, les aspects de securite publique relies aux inondations, l’exploitation des ouvrages hydrauliques et la production hydroelectrique. L’approche traditionnelle d’estimation des debits en rivieres consiste a mener une serie de mesures, aussi precises que possibles, permettant d’etablir simultanement le debit et la hauteur afin de calibrer une relation, appelee courbe de tarage, qui relie ces deux grandeurs. Une fois cette courbe de tarage connue, la seule mesure de la hauteur d’eau permet d’obtenir le debit d’ecoulement au droit de la station de mesure. Cette approche qui est basee sur une instrumentation assez rudimentaire parait robuste et economique tout en fournissant des resultats satisfaisants. Cependant, il s'avere en pratique que l’hypothese d'univocite entre les hauteurs et les debits, qui constitue le fondement de base de cette approche, devient compromise dans certaines conditions d’ecoulement. C’est le cas en periode de crue et de decrue, ou l’acceleration temporelle vient modifier sensiblement la relation entre le niveau et le debit par le phenomene d’hysteresis. La courbe de tarage peut aussi se voir sensiblement modifiee par l’effet de remous, la presence de nappe de glace ou encore lorsque la morphologie du cours d’eau change, c’est-a-dire en cas d’erosion, de vegetation ou de sedimentation. L’hydroacoustique, une approche de mesure de debit en riviere, relativement recente, consiste a mesurer la vitesse et la profondeur d’ecoulement a l’aide du Doppler afin de calculer le debit. La mesure du debit par Doppler peut se faire a partir de la surface de l’eau sur une courte periode pendant que l’appareil est fixe sur un bateau, ou en continu lorsqu’il est installe au fond du cours d’eau ou encore sur ses berges. Dans ces derniers cas, il devient possible, d’obtenir des mesures fiables en continu du debit dans toutes les conditions d'ecoulement. Ainsi, de nouveaux jaugeages ne sont plus necessaires lorsque la morphologie du cours d’eau change. En contrepartie, les couts d’acquisition et d’exploitation de cette technologie sont largement superieurs a ceux relies a l’utilisation d’une courbe de tarage. De plus, les mesures fournies par le Doppler s’averent tres bruitees et renferment beaucoup de valeurs aberrantes. Le Doppler, est aussi vulnerable aux aleas meteorologiques comme la foudre et devient inoperant lorsqu’il submerge par les sediments. Aussi, il est frequent de rencontrer des series de mesures tronquees en periodes de panne. L’objectif principal de cette recherche est de proposer une approche d’amelioration de l’estimation des debits des rivieres en alliant les avantages des deux approches precitees. L’atteinte de cet objectif passe par trois etapes sous-tendues par des objectifs specifiques qui sont lies et se suivent d’une facon sequentielle. Le premier objectif specifique qui fait l’objet de l’article 1, traite de l’opportunite d’exploiter de longues series de mesures fournies par le Doppler pour calibrer une courbe de tarage representative d’une large gamme de debits. Pour ce faire, il a fallu mettre au point des techniques de filtrage que nous avons appliquees aux series de mesure fournies par le Doppler. La methodologie proposee a ete appliquee a la riviere Bostonnais qui coule dans la province du Quebec au Canada. L’application des techniques de filtrage et de validation des mesures aux series temporelles obtenues par le Doppler a permis d’ameliorer sensiblement les resultats obtenus par la courbe de tarage traditionnelle. Le deuxieme objectif specifique qui fait l’objet de l’article 2, met en evidence l’analyse des courbes de tarage pour le suivi de debit des rivieres couvertes de glace. Cette approche a pour but d’optimiser la courbe de tarage traditionnelle en demontrant, qu’il est possible d’ameliorer les resultats obtenus par courbe de tarage traditionnelle en utilisant les mesures validees du Doppler obtenues en continu, en presence et en absence de glace. La methodologie pour atteindre cet objectif consiste tout d’abord a analyser l’impact du couvert de glace sur les niveaux et sur les debits des cours d’eau. Nous avons ensuite propose un concept base sur une double courbe de tarage pour representer la relation hauteur-debit en periode d’etiage en presence et en absence de glace. La methodologie preconisee a ete appliquee avec succes a la riviere Bostonnais au Quebec. Les resultats obtenus a partir de cette double courbe de tarage prealablement calibree a l’aide des mesures validees effectuees par le Doppler presentent une amelioration sensible par rapport a une courbe de tarage unique. Le troisieme objectif specifique qui fait l’objet de l’article 3, met en evidence l’estimation et la validation en temps reel des mesures de debits des rivieres par Doppler. La methodologie proposee repose sur deux outils : le premier est base sur le modele de la courbe de tarage qui est utilisee pour exprimer la relation entre la hauteur d’eau et le debit au droit d’une section de jaugeage. Le filtre de Kalman est utilise comme deuxieme outil pour identifier, en temps reel, les parametres d’un modele de courbe de tarage dynamique en fonction des ecarts entre les valeurs prevues et mesurees. La methodologie a ete testee avec succes sur la riviere Bostonnais au Quebec (Canada). Les ecarts d’estimation des debits a l’aide de la courbe de tarage dynamique sont nettement inferieurs aux ecarts obtenus a l’aide de la courbe de tarage dite statique. Le Doppler possede l’avantage de fournir de facon precise, une grande quantite de mesures de debit couvrant toute la gamme des valeurs anticipees des debits et des niveaux necessaires pour calibrer une courbe de tarage. En revanche, cette derniere s’avere plus avantageuse sur les plans economique et operationnel, pour fournir des mesures moins perturbees et en plus grande quantite. Nous pouvons donc conclure qu’il existe une synergie entre les deux approches complementaires d’estimation des debits.

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