Projet SNF : mesures du charriage avec des géophones
Ils existent plusieurs formules provenant de différents approches pour prédire le transport de sédiments. Contrairement aux rivières qui se trouvent dans les « basses terres », uniquement un petit nombre d’études ont essayé de prédire le transport de sédiments dans les torrents (gradient > environs 3- 5 %). La prédiction de la dynamique du charriage dans ces cours d'eau devient complexe principalement en raison de l'interaction avec les processus du versant actif, la large gamme de tailles des sédiments, la variance de la décharge dans le temps et la variabilité de la rugosité le long du cours d'eau.
Pour mieux comprendre le processus du charriage dans les torrents, il est nécessaire de le surveiller aussi précis que possible. On peut classer les méthodes de surveillance de charriage en deux branches principales : les méthodes directes et les indirectes. Les méthodes directes comprennent le piégeage des sédiments (i.e. Bassin à rétention), la collecte de particules mobiles (i.e. Échantillonneurs Helley Smith) et l'utilisation des particules-traceuses (par exemple l’identification par radiofréquence RFID).
L’avantage des capteurs indirects (actifs et passifs), c'est qu'ils peuvent fournir des mesures à haute résolution, et en continue, de l'intensité du transport. Les caractéristiques des signaux issus de ces capteurs peut être liée au roulage. Le signal enregistré dépend en premier lieu du type de capteur et de sa sensibilité et d'autre part des conditions hydrauliques et des caractéristiques des grains transportés in-situ. Ceci fait que la calibration de ces systèmes est nécessaire pour obtenir des taux absolus de charriage.
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Figure 1 : Panier métallique pour l’échantillonnage automatisé et bassin de rétention au torrent L'Erlenbach.
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Figure 2 : Les grains sont transportés sur les plaques d'acier munis de capteurs géophones avant d'être attrapés par les Paniers échantillonneurs.
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L'Erlenbach (figure 1 et 2) dans l'Aptal et l'un des bassins surveillés par l'Institut fédéral de recherches sur la fôret, la neige et le paysage WSL où le transport de sédiments est observé depuis 1982
Objectifs
En 1999, les capteurs d'impacts piézoélectriques (PBIS) ont été remplacés par des capteurs géophones (Fsampling = 10'000 [Hz]). Des études ont démontré que le signal créé par les impacts cinétiques des grains transportés sur une plaque d'acier est un moyen possible de quantifier le charriage (le nombre d'impulsion étant proportionnels au volume total du charriage lors d'un événement). La calibration du dispositif dépend clairement des variables spécifiques au site tels que la distribution granulométrique, la densité du matériel et les caractéristiques de l'écoulement.
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Pendant un événement, les grains de gravier sont transportés sur la plaque en acier. Ces grains peuvent rouler, glisser et sauter en fonction de leurs caractéristiques et des conditions hydrauliques. Lorsqu'une particule entre en collision avec la plaque, le choc est transmis au géophone qui enregistre en continue la déformation élastique de la plaque.
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Figure 3 : Représentation schématique du système plaque-géophone suisse.
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Le projet vise à identifier les facteurs principaux qui influencent la réponse du géophone et de déterminer quels sont les aspects de la calibration qui peuvent être généralisés sur des sites non-calibrés. Plus tard, la possibilité d'extraire de l'information sur la grandeur des grains du signal brut du géophone va être explorée (analyse du signal acoustique).
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Figure 4 : Lorsque la tension dépasse une valeur seuil (ligne turquoise pointillée) une impulsion est enregistrée. Le nombre d'impulsion enregistrées sont bien corrélés (R-carré = 0.91) avec la charge de fond totale transportée dans l'Erlenbach (Rickenmann et. al 2012). La figure ci-dessus illustre à la fois le signal (non filtré et filtré pour éviter le bruit de basse fréquence) et lespectrogramme (signal brut) d'une expérience dans un canal où 2 x 10 grains de D = 52 [mm] sont transportés sous une vitesse moyenne d'écoulement de Vm = 3 [m/s] sur la plaque du géophone.
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Méthodes et approches
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Nous réaliserons des expériences systématiques dans un canal de laboratoire avec des matériaux de charriage provenant de 5 cours d'eau (Erlenbach CH, Riedbach CH, Fischbach AU,Ruetz AU et Eshtemoa IL) ou des mesures avec des géophones sont disponibles. Le système geophone-plaque utilisé dans le laboratoire sera exactement le même que l'on retrouve sur le terrain (dimensions de la plaque en acier et le capteur géophone). Pour les expériences dans le laboratoire nous allons nous concentrer sur la reproduction des conditions d'écoulement que l'on trouve dans le terrain (conditions similaires au conditions du prototype).
Les expériences dans le canal seront effectuées en utilisant des classes granulométriques uniformes mais aussi des mélanges de différentes classes afin d'identifier les facteurs responsables de la variation de la calibration des différents sites. Le montage en laboratoire comprend aussi l'installation d'une camera sur une table lumineuse à la sortie du canal pour déterminer les taux de transport instantanés grâce au suivi des particules.
Nous allons appliquer les connaissances obtenues des expériences en laboratoire sur les 5 cours d'eau de cette étude.
La possibilité d'extraire des informations granulométrique est aussi présente dans cette étude. Un analyse fréquentiel détaillé est également prévu afin de déterminer la fréquence naturelle du système.
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Représentation schématique du montage pour les expériences de laboratoire à la VAW-ETHZ. La charriage transporté sur la plaque en acier viendra de différents sites où des données avec des géophones est disponible et des mesures de calibration sur le terrain ont été faites.
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Coopération du projet
- Volker Weitbrecht (VAW, ETH Zürich)
- Robert Boes (VAW, ETH Zürich)
Equipe du projet
- Carlos R. Wyss
- Jens M. Turowski
- Dieter Rickenmann
Lien à un autre projet
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