Comment mesurer le débit d'un cours d'eau

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Figure 1. Un ruisseau de montagne qui coule.

Le débit est le volume total d'un fluide qui s'écoule au-delà d'un point fixe dans une rivière ou un ruisseau au fil du temps. Il est comparable à la vitesse à laquelle un volume de fluide se déplace comme le montre la figure 1. Les débits volumétriques peuvent être mesurés dans diverses unités de volume/temps telles que :

• Litres par seconde (L/s)
• Pieds cubes par seconde (ft³/s)
• Gallons par minute (gal/min)
• Mètres cubes par seconde (m³/s)

Household tools or specialized meters can be used to find flow rates for pipes, sewage systems, and household appliances. People use flow data for microhydro systems, wastewater systems, rainwater catchment, water auditing, settling rates, water table statistics, and other water related information. To find the flow of larger water bodies such major rivers or behind dams, meters are used.^[1]

This page describes low-tech methods to determine flow of small streams and rivers, as well as other tools that can be used for this purpose.

Method 1: Bucket method

Figure 2. Finding the flow rate using a bucket.

The Bucket method is a simple way to measure the flow rate using household items. It requires a stopwatch, a large bucket, and preferably two to three people. To measure the flow rate using the bucket method:

1. Measure the volume of the bucket or container. Keep in mind that a typical 5 gallon bucket is often actually less than 5 gallons.
2. Find a location along the stream that has a waterfall. If none can be found, a waterfall can be constructed using a weir (see Figure 4).
3. With a stopwatch, time how long it takes the waterfall to fill the bucket with water. Start the stopwatch simultaneously with the start of the bucket being filled and stop the stopwatch when the bucket fills. The bucket should not be filled by holding it below the surface of the stream because it is not the true flow rate.
4. Record the time it takes to fill the bucket.
5. Repeat steps two and three about six or seven times and take the average. It is a good idea to do a few trial runs before recording any data so that one can get a feel for the timing and measurements required.
6. Only eliminate data if major problems arise such as debris from the stream interfering with the flow.
7. The flow rate is the volume of the bucket divided by the average time it took to fill the bucket.^[2]

Here is an example using data found for the flow rate of the Jolly Giant Creek on Cal Poly Humboldt grounds: Using this data, the volumetric flow rate (Q) is equal to the volume of the bucket (V) divided by the average time (t).

Method 2: Float method

Figure 3. Recherche du débit à l'aide d'un flotteur et d'un mètre.

La méthode du flotteur (également connue sous le nom de méthode de la section transversale) est utilisée pour mesurer le débit des grands ruisseaux et rivières. On le trouve en multipliant une section transversale du courant par la vitesse de l'eau. Pour mesurer le débit à l'aide de la méthode du flotteur :

1. Localisez un endroit dans le flux qui servira de section transversale du flux.
2. À l'aide d'un mètre ou d'un autre moyen de mesure, mesurez la profondeur du cours d'eau à intervalles égaux le long de la largeur du cours d'eau (voir la figure 3). Cette méthode est similaire au calcul manuel d'une somme de Riemann pour la largeur de la rivière.
3. Une fois ces données recueillies, multipliez chaque profondeur par l'intervalle dans lequel elle a été prise et additionnez toutes les quantités. Ce calcul est la surface d'une section transversale du flux.
4. Décidez d'une longueur de cours d'eau, généralement plus longue que la largeur de la rivière, pour envoyer un objet flottant vers le bas (les oranges fonctionnent très bien). ^[3]
5. À l'aide d'un chronomètre, mesurez le temps qu'il faut au flotteur pour descendre le long du cours d'eau à partir de l'étape 4.
6. Répétez l'étape cinq 5 à 10 fois et déterminez le temps moyen mis par le flotteur pour parcourir le cours d'eau. Jetez le flotteur dans l'eau à différentes distances du rivage afin d'obtenir une moyenne plus précise.
7. Divisez la longueur du flux trouvée à l'étape 4 par le temps moyen à l'étape 6 pour déterminer la vitesse moyenne du flux.
8. La vitesse trouvée à l'étape 7 doit être multipliée par un facteur de correction de friction. Étant donné que le haut d'un cours d'eau s'écoule plus rapidement que le fond en raison du frottement contre le lit du cours d'eau, le facteur de correction du frottement égalise le débit. Pour les fonds rugueux ou rocheux, multipliez la vitesse par 0,85. Pour des conditions de substrat rocheux lisse, boueux, sablonneux ou lisse, multipliez la vitesse par un facteur de correction de 0,9.
9. La vitesse corrigée multipliée par la section transversale donne le débit en volume/temps. (Assurez-vous de conserver des unités de longueur/distance cohérentes lors de la mesure de la section transversale et de la vitesse, par exemple mètres, pieds)

Méthode 3 : Weirs

Les déversoirs sont de petits barrages qui peuvent être utilisés pour mesurer le débit de petits et moyens cours d'eau (quelques mètres ou plus). Ils permettent au débordement du cours d'eau de se déverser au-dessus du déversoir, créant une chute d'eau, comme le montre la figure 4. Les déversoirs augmentent le changement d'élévation, rendant le débit plus constant, ce qui rend les mesures de débit plus précises. Cependant, il est très important que toute l'eau du cours d'eau soit dirigée vers le déversoir pour qu'il représente avec précision le débit du cours d'eau. Il est également important d'empêcher les sédiments de s'accumuler derrière le déversoir. Les déversoirs à crête pointue fonctionnent mieux. Il existe de nombreux types de déversoirs, notamment les déversoirs à crête large, les déversoirs à crête pointue, les déversoirs combinés, les déversoirs à encoche en V et les déversoirs à perte d'énergie minimale.

Figure 4 : Un exemple de déversoir à encoche en V.

Méthode 4 : Meters

Les compteurs sont des appareils qui mesurent le débit d'un cours d'eau en mesurant directement le courant. Il existe de nombreux types de compteurs différents, mais les plus courants sont le compteur Pygmy, le compteur vortex, la sonde de débit et le courantomètre, décrits ci-dessous :

Lectures complémentaires

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• Wikipédia : Débit volumétrique
• Mesure du débit volumétrique

Références