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Mesures de la qualité des plans d'eau urbains en utilisant des drones

De Wikhydro

Sommaire

Vidéo de présentation d'une expérimentation



WIKHYDRO - Drone IFSTTAR Quadro par Wikhydro
Cette vidéo présente une expérimentation qui a eu lieu pour tester le système QUADRO d'auscultation des plan d'eau urbain. Ce système qui a fait l'objet d'un brevet déposé par l'IFSTTARutilise un drone de type Copter 1B à voilure tournante d'une longueur de 1,7 m et de hauteur 0,65m. Ce drone été utilisé lors des campagnes Dordogne et  Rhin. Il est également l'un des acteurs majeurs de l'expérimentation sur l'Anse de Penfoul dans le cadre de la démarche "Les drones : sentinelles de l'environnement" lancée par le ministère en charge du développement durable.

Dans la configuration présentée dans la vidéo ci-dessous, de mesure de la qualité des plans d'eau urbain, ce drone emporte un portique QUADRO équipé de divers types de sondes suivant les paramètres à mesurer.

Contexte

L’eau est aujourd’hui au cœur de bien des problématiques. Qu’elle soit destinée à la consommation, l’irrigation, les processus industriels ou qu’elle fasse simplement partie du cadre urbain, il est essentiel de définir sa qualité.
Cette qualité de l’eau est définie à partir de trois types de paramètres :

  • Les paramètres physiques
  • Les paramètres chimiques
  • Les paramètres biologiques

Les paramètres physiques comprennent principalement la température, la conductivité, le pH, la turbidité et l’oxygène dissous. Ces caractéristiques sont relatives à l’environnement direct de l’eau et en dépendent fortement, il est donc impératif d’en faire la mesure in situ.
Les paramètres chimiques vont permettre de définir les éléments présents dans l’eau (aluminium, pesticides, nitrates, etc.) pour obtenir des informations comme la dureté de l’eau. Ces paramètres sont évalués en laboratoire à partir d’échantillons pris sur le terrain.
Les paramètres biologiques sont liés à la présence de micro-organismes dans l’eau. On en trouve dans toutes les eaux mais un problème se pose lorsque des virus, bactéries ou protozoaires avec un potentiel pathogène humain sont présents en trop grand nombre. Les contrôles nécessaires seront donc encore une fois effectués en laboratoire à partir d’échantillons.
Pour répondre à cette problématique et dans le cadre de la Directive Cadre sur l’Eau (DCE) d’octobre 2000, le LCPC, l’ENPC (École Nationale des Ponts et Chaussées) et l’IPGP (Institut de Physique du Globe de Paris) proposent conjointement en 2009 une méthode de suivi de la qualité des plans d’eau. Cette méthode développée à partir d’une instrumentation aéroportée par un drone s’applique plus particulièrement aux plans d’eau en milieu urbain. Le choix d’un drone pour cette application se justifie par son bon rendement (méthode rapide à mettre en place, automatisée et efficace), son faible coût comparé au déploiement de matériel plus répandu (nacelle, barque, hélicoptère, etc.) et son caractère peu intrusif, pour les usagers urbains mais surtout pour le milieu. Cette notion de non intrusion est très importante pour le sondage et ne pourrait pas être obtenue de la même façon avec un bateau (par exemple).
L’instrumentation permet le suivi des paramètres utiles à la définition de la qualité de l’eau en s’appuyant sur un sondage du milieu (paramètres physiques), la prise d’échantillons (paramètres chimiques et biologiques) et la prise de vues aériennes dans le visible et l’infra-rouge. Le projet porteur de cette méthode de suivi est appelé QUADRO, nom qu’a ensuite pris l’ensemble de l’instrumentation qu’il comprend.

Présentation du système QUADRO

Le système QUADRO est encore au stade de démonstrateur et est en constante évolution pour tendre vers un dispositif complet et pleinement opérationnel.
drone ifsttar


Le dispositif complet de QUADRO (cf diagramme ci-dessous) comprend :

  • Un système aéroporté de prise de vues (visible et IR)
  • Un flotteur instrumenté :
o Servo-treuil et sa sonde de mesure
o Dispositif de prélèvement d’échantillons d'eau
  • Un dispositif de communication sans fil
  • Une Interface Homme Machine (IHM)
  • Un dispositif d’accrochage et de largage sous drone
diagramme systeme quadro
systeme quadro
appareil de prise de vue quadro
Le porteur est pour le moment le drone de l’IFSTTAR mais il peut s’agir de n’importe quel autre système capable de se positionner au-dessus d’un plan d’eau sans en perturber les paramètres.
sonde de mesure quadro
systeme de prelevement seringue
La sonde assure la mesure des quatre paramètres physiques suivants :
- la température de l’eau par une sonde PT100
- la pression par un capteur de pression du commerce
- la conductivité (par un capteur développé par l’IFSTTAR)
- la turbidité (par un capteur développé par l’IFSTTAR)
Elle est équipée d’une batterie interne assurant l’alimentation des capteurs et de la carte électronique chargée du conditionnement et de la numérisation des données. Ces dernières sont envoyées selon un protocole RS232 au flotteur instrumenté par un câble coaxial de 1 mm de diamètre. Le dispositif de prélèvement d’échantillons, destinés aux analyses chimiques et biologiques, se monte quant à lui sous le flotteur instrumenté. Il comprend une tige support sur laquelle peut se monter au total six seringues de prélèvement de 100 ml. Deux pour un prélèvement en surface, deux pour un prélèvement à 50 cm de profondeur et deux pour un prélèvement à 1 m de profondeur.
Les pistons des seringues sont mis en mouvement grâce à un servo-moteur entraînant un dispositif mécanique tirant simultanément sur les six tiges des pistons. Le système s’arrête automatiquement sur des fins de courses.

Etat des lieux

En amont de cette étude, les retours d’expériences avaient révélé des dysfonctionnements et des difficultés d’utilisation de la sonde multi-paramètre :

  • La mesure de conductivité n’est pas exploitable. Le dispositif chargé de cette mesure est le résultat d’une auto-commande. Quatre électodes ont été ajoutées au module existant dans la perspective de fournir plus d’informations sur le milieu étudié. Cependant le temps imparti pour cet ajout était limité et aucune étude poussée n’a pu être menée au préalable.
  • Le câble micro-coax qui transmet les données de la sonde au flotteur est fragile et coûteux. Comme il ne peut pas être déconnecté de la sonde et qu’il subit beaucoup de contraintes l’âme du câble s’est souvent rompue. L’opération de remise en état est délicate et diminue à chaque fois la longueur du câble.
  • Des problèmes d’étanchéité ont étés fréquemment rencontrés, rendant obligatoire un contrôle avant chaque utilisation de la sonde.
  • Aucun point de test ou de moyen de modifier la programmation de la sonde sans l’ouvrir n’avait été prévu. Le fait que la carte électronique soit difficilement accessible accentuait le problème d’étanchéité, car chaque action de maintenance nécessitait d’ouvrir la sonde.
  • Les données transmises par la sonde sont des valeurs numériques brutes non traitées, ce qui rend difficile le contrôle des mesures par l’utilisateur. Un programme de traitement est indispensable.
  • Des problèmes de synchronisation des données ont été rencontrées.
  • La mesure de la turbidité n’est pas normalisée. Elle n’est pas exprimée en FAU (Formazine Attenuation Unit) comme le spécifie la norme NF EN ISO 7027, mais donne une information visuelle à trois niveaux : transparent, trouble ou opaque.

Le dispositif de prélèvement d’échantillons a quant à lui parfaitement fonctionné. Fort de ces retours d’expérience, il a été décidé de concevoir une nouvelle sonde qui corrigerait les points cités ci-avant. Cette « version 2 » permettrait également de bénéficier de nouveaux moyens mis à notre disposition (carte électronique) et éventuellement d’intégrer des capteurs absents sur la première sonde (pH et oxygène dissous).


Cet article a été rédigé parGaud Jérémie, apprenti ingénieur à l'occasion de son mémoire d'ingénieur CESI et par Jean-Luc Sorin de l'lFSTTAR


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