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

Mballa Eloumou, Landry Louis (2016). Contribution à l'amélioration des méthodes de suivi des débits des rivières en temps réel et différé. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La gestion des ressources hydriques nécessite la connaissance des débits actuels et futurs des cours d’eau, pour les études d’impact environnemental, les aspects de sécurité publique reliés aux inondations, l’exploitation des ouvrages hydrauliques et la production hydroélectrique. L’approche traditionnelle d’estimation des débits en rivières consiste à mener une série de mesures, aussi précises que possibles, permettant d’établir simultanément le débit et la hauteur afin de calibrer une relation, appelée 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 débit d’écoulement au droit de la station de mesure. Cette approche qui est basée sur une instrumentation assez rudimentaire paraît robuste et économique tout en fournissant des résultats satisfaisants. Cependant, il s'avère en pratique que l’hypothèse d'univocité entre les hauteurs et les débits, qui constitue le fondement de base de cette approche, devient compromise dans certaines conditions d’écoulement. C’est le cas en période de crue et de décrue, où l’accélération temporelle vient modifier sensiblement la relation entre le niveau et le débit par le phénomène d’hystérésis. La courbe de tarage peut aussi se voir sensiblement modifiée par l’effet de remous, la présence de nappe de glace ou encore lorsque la morphologie du cours d’eau change, c’est-à-dire en cas d’érosion, de végétation ou de sédimentation.

L’hydroacoustique, une approche de mesure de débit en rivière, relativement récente, consiste à mesurer la vitesse et la profondeur d’écoulement à l’aide du Doppler afin de calculer le débit. La mesure du débit par Doppler peut se faire à partir de la surface de l’eau sur une courte période pendant que l’appareil est fixé sur un bateau, ou en continu lorsqu’il est installé 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 débit dans toutes les conditions d'écoulement. Ainsi, de nouveaux jaugeages ne sont plus nécessaires lorsque la morphologie du cours d’eau change. En contrepartie, les coûts d’acquisition et d’exploitation de cette technologie sont largement supérieurs à ceux reliés à l’utilisation d’une courbe de tarage. De plus, les mesures fournies par le Doppler s’avèrent très bruitées et renferment beaucoup de valeurs aberrantes. Le Doppler, est aussi vulnérable aux aléas météorologiques comme la foudre et devient inopérant lorsqu’il submergé par les sédiments. Aussi, il est fréquent de rencontrer des séries de mesures tronquées en périodes de panne.

L’objectif principal de cette recherche est de proposer une approche d’amélioration de l’estimation des débits des rivières en alliant les avantages des deux approches précitées. L’atteinte de cet objectif passe par trois étapes sous-tendues par des objectifs spécifiques qui sont liés et se suivent d’une façon séquentielle. Le premier objectif spécifique qui fait l’objet de l’article 1, traite de l’opportunité d’exploiter de longues séries de mesures fournies par le Doppler pour calibrer une courbe de tarage représentative d’une large gamme de débits. Pour ce faire, il a fallu mettre au point des techniques de filtrage que nous avons appliquées aux séries de mesure fournies par le Doppler. La méthodologie proposée a été appliquée à la rivière Bostonnais qui coule dans la province du Québec au Canada. L’application des techniques de filtrage et de validation des mesures aux séries temporelles obtenues par le Doppler a permis d’améliorer sensiblement les résultats obtenus par la courbe de tarage traditionnelle.

Le deuxième objectif spécifique qui fait l’objet de l’article 2, met en évidence l’analyse des courbes de tarage pour le suivi de débit des rivières couvertes de glace. Cette approche a pour but d’optimiser la courbe de tarage traditionnelle en démontrant, qu’il est possible d’améliorer les résultats obtenus par courbe de tarage traditionnelle en utilisant les mesures validées du Doppler obtenues en continu, en présence et en absence de glace. La méthodologie pour atteindre cet objectif consiste tout d’abord à analyser l’impact du couvert de glace sur les niveaux et sur les débits des cours d’eau. Nous avons ensuite proposé un concept basé sur une double courbe de tarage pour représenter la relation hauteur-débit en période d’étiage en présence et en absence de glace. La méthodologie préconisée a été appliquée avec succès à la rivière Bostonnais au Québec. Les résultats obtenus à partir de cette double courbe de tarage préalablement calibrée à l’aide des mesures validées effectuées par le Doppler présentent une amélioration sensible par rapport à une courbe de tarage unique.

Le troisième objectif spécifique qui fait l’objet de l’article 3, met en évidence l’estimation et la validation en temps réel des mesures de débits des rivières par Doppler. La méthodologie proposée repose sur deux outils : le premier est basé sur le modèle de la courbe de tarage qui est utilisée pour exprimer la relation entre la hauteur d’eau et le débit au droit d’une section de jaugeage. Le filtre de Kalman est utilisé comme deuxième outil pour identifier, en temps réel, les paramètres d’un modèle de courbe de tarage dynamique en fonction des écarts entre les valeurs prévues et mesurées. La méthodologie a été testée avec succès sur la rivière Bostonnais au Québec (Canada). Les écarts d’estimation des débits à l’aide de la courbe de tarage dynamique sont nettement inférieurs aux écarts obtenus à l’aide de la courbe de tarage dite statique.

Le Doppler possède l’avantage de fournir de façon précise, une grande quantité de mesures de débit couvrant toute la gamme des valeurs anticipées des débits et des niveaux nécessaires pour calibrer une courbe de tarage. En revanche, cette dernière s’avère plus avantageuse sur les plans économique et opérationnel, pour fournir des mesures moins perturbées et en plus grande quantité. Nous pouvons donc conclure qu’il existe une synergie entre les deux approches complémentaires d’estimation des débits.

Titre traduit

Contribution to the improvement of the discharge monitoring methods of rivers in real ans deferred time

Résumé anglais

Water resources management requires knowledge of current and future discharge of rivers for environmental impact studies, public safety aspects related to flooding, operation of hydraulic structures and hydropower. The traditional approach to measuring streamflow in rivers is to conduct a series of reliable measurements allowing to simultaneously establishing the stage-discharge rating curves. This approach based on a rudimentary instrumentation seems robust, economical and providing satisfactory results. However, in practice the assumption of bijection between the stage and discharge, which is the basic foundation of this approach, is compromised in some flow conditions. This is during flood event where the temporal acceleration significantly modifies the relationship between the stage and discharge by the hysteresis. The rating curve can also be considerably modified by the backwash effect, the presence of ice cover or the morphology of the river changes, for example erosion, vegetation or sedimentation.

The hydro acoustic is another relatively recent discharge measurement approach in rivers. This approach is used to measure the speed of flow and the water level, using Doppler to calculate the discharge. The Doppler measured discharge can be done from the surface of water in a short period while the machine is attached to a boat, or continuously when installed at the bottom of river, or on its banks. This makes it possible to obtain reliable continuous measured discharges in all flow conditions. Thus, new measured discharges are not necessary when the river morphology changes. However, the costs of acquisition and operation of this technology are much higher than those associated the use with a rating curve. Moreover, the measurements provided by the Doppler have many noises and contain many outliers. The Doppler is also vulnerable to weather like lightning and becomes inoperative when buried by sediment. Also, it is common to find measurements series truncated during outage.

The main objective of this research is to develop an improved approach to estimate river discharges by combining the advantages of the above two approaches mentioned. To achieve this objective involves three steps including specific objectives which are linked and follow a sequence. The first specific objective is the subject of Article 1. This paper deals with the opportunity to exploit long series of measurements provided by the Doppler to calibrate a rating curve representative of a wide range of discharges. Thus, it was necessary to develop filtering techniques that we have applied to the series of measurements provided by the Doppler. The proposed methodology was applied to the river Bostonnais in the province of Quebec in Canada. The application of filtering techniques and validation of the time series measurements obtained by the Doppler has significantly improved the performance of the traditional rating curve.

The second specific objective is the subject of Article 2. This paper highlights the analysis of rating curves for monitoring discharge of rivers covered by ice. This approach aims to optimize the traditional rating curve by showing that it is possible to improve the results obtained by traditional rating curve using the validated continuous measurements of Doppler in the presence and absence of ice. The methodology for achieving this objective is to analyze first the impact of the ice cover on water levels and discharge. Then we proposed a concept based on double rating curve to represent the stage-discharge relationship during low water in the presence and absence of ice. The recommended methodology has been successfully applied to the river Bostonnais of Quebec. The results obtained from this dual rating curve previously calibrated using validated measurements by the Doppler show a significant improvement compared to a single rating curve.

The third specific objective is the subject of Article 3. This paper highlights the estimation and the real-time validation of the measured discharges of rivers by Doppler. The proposed methodology is based on two tools: the first is based on the model of the rating curve that is used to express the relationship between the water stage and the discharge in a gauging section. The Kalman filter is used as second tool to identify, in real time, the parameters of a dynamic rating curve model based on differences between predicted and measured values. The methodology was successfully tested on the river Bostonnais in Quebec (Canada). The estimation gaps of discharges using the dynamic rating curve are significantly lower than gaps obtained using the traditional static rating curve.

The Doppler has the advantage of providing accurately, a large amount of flow measurements covering the range of expected values of the discharges and the stages necessary to calibrate a rating curve. However, this rating curve is more advantageous economically and operationally, to provide less disturbed measurements and in greater quantities. We can therefore conclude that there is a synergy between the two complementary approaches for estimating discharges.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie. Bibliographie : pages 139-145.
Mots-clés libres: Cours d'eau Jaugeage. Cours d'eau Débit Prévision. Échographie Doppler. Étalonnage. Cours d'eau Jaugeage Québec (Province) Bostonnais, Rivière. Filtre de Kalman. courbe, tarage, débit, hauteur d’eau, écarts
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Bennis, Saad
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 29 mars 2016 15:38
Dernière modification: 22 juin 2016 19:20
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1645

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