Fiche Résumé 06-PLUV-06

Les "vélocimètres" qui utilisent l'effet Doppler pour évaluer une vitesse moyenne dans la section d'un écoulement à surface libre ou en charge sont un outil simple, peu onéreux et facile à mettre en œuvre pour suivre en continu l'évolution les débits transitant dans des réseaux d'assainissement. Ils permettent de réaliser des diagnostics de fonctionnement de réseau de collecte et peuvent apporter une réponse aux exigences de l'autosurveillance réglementaire des déversoirs d'orage. Malheureusement les caractéristiques de ces appareils sont actuellement très mal connues, en particulier la zone explorée par les ondes ultrasonores pour déterminer une vitesse moyenne ou maximale dans le cône de mesure. Il est donc difficile par exemple de quantifier l'influence des conditions d'écoulement dans la section instrumentée sur la précision qu'on peut attendre de la mesure.

Les appareils auxquels s'intéresse l'étude utilisent des "indicateurs de vitesse". L'indicateur choisi est réputé représentatif de la vitesse moyenne de l'écoulement, non pas dans le volume de mesure mais dans une section droite (surface mouillée de l'écoulement). La transformation de l'indicateur de vitesse en vitesse moyenne sur un site donné se fait au moyen d'un coefficient, en général unique et constant par souci de simplicité, laissé à la discrétion de l'utilisateur ou de l'installateur. Pour déterminer ou vérifier la valeur de ce coefficient, un étalonnage sur site semble indispensable sur plusieurs gammes de débits. En fait, ce type d'opération est des plus malaisé : les mesures directes du champ de vitesse (exploration au courantomètre) ou de la vitesse moyenne (dilution) sont difficiles à réaliser, et plus encore lorsque les ouvrages sont sollicités pour l'évacuation d'eaux de ruissellement générées par des événements pluvieux (problèmes d'accès, régime non permanent, sécurité des opérateurs).

Une approche moins empirique de la réponse d'un vélocimètre donné aux conditions d'écoulement que l'on peut s'attendre à observer sur un site donné serait donc très utile. Pour cela, il faudrait pouvoir :
1- connaître les champs de vitesse,
2- prévoir la réponse du capteur à ces contextes hydrodynamiques,
3- résoudre le problème inverse de l'estimation de la vitesse moyenne à partir de l'indication du capteur.

C'est le point 2 qui est développé dans ce projet. En effet, s'il est possible de mesurer les champs de vitesse sur une section mouillée et à fortiori d'en déduire la vitesse moyenne, on connaît très mal la définition du paramètre primaire mesuré par les vélocimètres Doppler, autrement dit les caractéristiques principales de l'"indicateur de vitesse" :
- quel est le volume d'investigation ?
- y a-t-il une variation liée à la charge en matières en suspension (MES) ?
- comment est pondéré puis intégré le champ de vitesses présent dans ce volume ?

Pour répondre à ces questions, on se propose de mettre au point des tests de laboratoire permettant de mesurer des paramètres caractéristiques du fonctionnement de ces appareils. Ces tests, appliqués à un type d'appareil donné, n'ont pas pour but d'en vérifier les performances, en termes de précision par exemple, mais de mieux connaître ce que l'appareil mesure réellement. On espère ensuite être capable d'en définir les conditions et les limites d'emploi ainsi que les méthodes de conversion entre ce qui est mesuré et la vitesse moyenne dans une section mouillée de l'écoulement que l'on souhaite quantifier. Les essais réalisés ne sont pas des tests de recette d'un exemplaire donné du matériel, mais bien un moyen de préciser les spécifications d'un type d'appareil. Les constructeurs pourront utiliser ces tests pour décrire les caractéristiques du matériel qu'ils proposent. Les utilisateurs tireront bénéfice de cette détermination des caractéristiques (qu'il serait souhaitable à terme de normaliser) pour apprécier l'adéquation des matériels aux sites qu'ils projettent d'instrumenter, et vice versa.

Il faut souligner que la problématique exposée ci-dessus est axée sur les appareils usuels effectuant une analyse globale du spectre de vitesses, et concerne moins la nouvelle génération de matériel, utilisant la technologie Doppler pulsée pour réaliser une exploration du champ de vitesses. Néanmoins, les méthodes d'essai proposées pourront aussi trouver une application dans la vérification des performances de ces appareils.

Le protocole de tests proposé s'inscrit directement dans le champ de la spécification technique ISO/TS 15769 :2000 et porte sur certaines caractéristiques du capteur :
- l'angle d'émission,
- la portée,
- l'ouverture du faisceau ultrasonore,
- le volume de mesure,
- la pondération entre échos.

A ce stade des études, les tests ont pu montrer la faisabilité des mesures d'angles de tir, d'ouverture et de portée. Il conviendra toutefois de développer le protocole de détermination des pondérations de vitesses (importance de la position dans l'espace, masque…).

L'influence des défauts de pose peut aussi être appréhendée, ainsi que les mises en œuvre atypiques. Ces éléments permettent de connaître la représentativité de l'indicateur de vitesse donné par le capteur.

Le travail réalisé dans le contexte de cette étude peut constituer un élément important pour guider une réflexion sur une éventuelle démarche normative ou à défaut sur la possibilité d'obtenir des constructeurs les caractéristiques des capteurs afin d'en optimiser l'usage.