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Débit (HU) : Différence entre versions

De Wikhydro
 
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Volume d'eau qui s'écoule en un point donné, pendant une durée donnée, à travers une section droite donnée d’un [[Ecoulement (HU)|écoulement]].
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En hydrologie, volume d'eau (plus généralement de liquide) qui s'écoule en un point donné, pendant une durée donnée, à travers une section droite d’un [[Ecoulement (HU)|écoulement]] ; les unités les plus courantes utilisées en hydrologie sont le m<sup>3</sup>/s, le L/s ou le m<sup>3</sup>/h.  
  
Les unités les plus courantes sont le m<sup>3</sup>/s, le L/s ou le m<sup>3</sup>/h. En hydrologie, comme en hydraulique, la mesure du débit relève de la [[Débitmétrie (HU)|débitmétrie]].
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Les méthodes mises en œuvre pour le [[Mesurage (HU)|mesurage]] du débit sont présentées dans l'article [[Débitmétrie (HU)|débitmétrie]].
  
 
==Une grandeur difficile à appréhender==
 
==Une grandeur difficile à appréhender==
  
 
Le caractère d'évidence de la définition précédente cache en fait deux difficultés de taille :
 
Le caractère d'évidence de la définition précédente cache en fait deux difficultés de taille :
* La première difficulté est d'ordre métrologique. Comment mesurer un volume d'eau écoulé pendant une certaine durée ? Si le débit dans la rivière ou dans la conduite est faible on peut essayer de détourner tout le flux vers un récipient de volume connu et mesurer le temps nécessaire pour le remplir. Mais dès que le débit devient plus important, ce type de méthode devient bien évidemment impossible à mettre en œuvre. Voir [[Débitmétrie (HU)|Débitmétrie]].
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* La première difficulté est d'ordre métrologique. Comment mesurer un volume d'eau écoulé pendant une certaine durée ? Si le débit dans la rivière ou dans la conduite est faible on peut essayer de détourner tout le flux vers un récipient de volume connu et mesurer le temps nécessaire pour le remplir (avec l'hypothèse que ce débit reste constant pendant la durée de remplissage). Mais dès que le débit devient plus important, ce type de méthode devient bien évidemment impossible à mettre en œuvre. Voir [[Débitmétrie (HU)|Débitmétrie]].
 
* La seconde difficulté est plus fondamentale. Le débit est une grandeur qui varie avec le temps. Quelle doit être la durée d'observation ? une seconde ? une heure ? une année ?
 
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Le débit instantané est théoriquement celui qui correspond à une durée d'observation tendant vers zéro.  
 
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En pratique, on en donne généralement une définition différente utilisant la notion, elle même pas si évidente, de [[Vitesse d'un écoulement (HU)|vitesse d'écoulement]] (relation (1) et ''figure 1'') :
  
  
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* <math>S</math> : section transversale de l’écoulement à l'instant <math>t</math> ;
* <math>V(x, y,t)</math> : vitesse d'écoulement au point de coordonnées <math>x</math> et <math>y</math> à l'instant <math>t</math> perpendiculairement à la section transversale </math>S</math>.
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Cette nouvelle définition du débit présente l'intérêt d'être plus claire que la précédente (l'ambiguïté sur le temps est levée) et également plus proche des techniques métrologiques. La vitesse de l'eau est en effet une quantité physique théoriquement mesurable. Ainsi, si l'on mesure la [[Vitesse d'un écoulement (HU)|vitesse moyenne de l'écoulement]] (<math>V_j</math>) au travers de <math>n</math> petites surfaces <math>S_j</math>, le débit instantané peut être évalué par la relation approchée (2) (''figure 2''):
Cette nouvelle définition du débit présente l'intérêt d'être plus claire que la précédente (l'ambiguïté sur le temps étant levée) et également plus proche des techniques métrologiques. La vitesse de l'eau est en effet une quantité physique théoriquement mesurable. Ainsi, si l'on mesure la vitesse moyenne de l'écoulement (<math>V_j</math>) au travers de n petites surfaces <math>S_j</math>, le débit instantané peut être évalué par la relation approchée (2) (''figure 2''):
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Enfin, en introduisant la notion de vitesse moyenne de l'écoulement (<math>V_m</math>) qui, pour certains types d'écoulement et moyennant quelques hypothèses simplificatrices, peut être calculée en fonction de paramètres physiques, on peut écrire la relation (3) :
  
  
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'''C'est ainsi, en mesurant la hauteur d'eau (dont on peut déduire la [[Section mouillée (HU)|section mouillée]]) et la vitesse moyenne, que l'on accède le plus souvent à une valeur approchée du débit instantané.'''
C'est ainsi, en mesurant la hauteur d'eau (dont on peut déduire la section mouillée) et la vitesse moyenne, que l'on accède le plus souvent à une valeur approchée du débit instantané.
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==Débit moyen==
 
==Débit moyen==
  
Ayant défini le débit instantané, il est maintenant possible de calculer des débits moyens. Le débit moyen <math>Q_m(d)</math> sur une période d'observation <math>d</math> peut ainsi être calculé par la relation :
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Ayant défini le débit instantané, il est maintenant possible de calculer des débits moyens. Le débit moyen <math>Q_m(d)</math> sur une période d'observation <math>d</math> peut ainsi être calculé par la relation (5) :
  
  
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Dans le cas des réseaux d'eaux usées, on utilise souvent un débit moyen horaire, ou un débit moyen journalier. Dans le cas de l'étude des crues il est nécessaire de travailler sur des pas de temps plus courts (typiquement quelques minutes en hydrologie urbaine).  
 
Dans le cas des réseaux d'eaux usées, on utilise souvent un débit moyen horaire, ou un débit moyen journalier. Dans le cas de l'étude des crues il est nécessaire de travailler sur des pas de temps plus courts (typiquement quelques minutes en hydrologie urbaine).  
  
Les variations du débit en fonction du temps sont souvent mises en évidence en traçant un [[Hydrogramme (HU)|hydrogramme]] journalier (voir ''figure 3'').
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Les variations du débit en fonction du temps sont souvent mises en évidence en traçant un [[Hydrogramme (HU)|hydrogramme]] (par exemple journalier pour les débits d'eaux usées ou événementiel pour les débits de crue) (voir ''figure 3'').
  
  
 
[[File:hydrogramme.jpg|600px|center|thumb|<center>''<u>Figure 3</u> : Exemple d'évolution des débits de temps sec sur une semaine mesurés au pas de temps de 6 mn.''</center>]]
 
[[File:hydrogramme.jpg|600px|center|thumb|<center>''<u>Figure 3</u> : Exemple d'évolution des débits de temps sec sur une semaine mesurés au pas de temps de 6 mn.''</center>]]
  
==Caractérisation du régime des rivières==
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==Caractérisation du régime des cours d'eau==
  
Pour caractériser les rivières, on utilise les notions de [[Module (HU)|module]] et de régime.  
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Pour caractériser les régularités et les fluctuations saisonnières des débits dans les cours d'eau et fonction des saisons, on utilise généralement les notions de [[Module (HU)|module]] et de [[Régime d’écoulement (HU)|régime]].  
 
* Le module d'une rivière est égal au débit moyen calculé pour une durée d'observation <math>d</math> très grande (la plus grande possible) et égale à un nombre entier d'années ; le module est en fait égal à la moyenne des débits moyens annuels sur la période <math>d</math>.
 
* Le module d'une rivière est égal au débit moyen calculé pour une durée d'observation <math>d</math> très grande (la plus grande possible) et égale à un nombre entier d'années ; le module est en fait égal à la moyenne des débits moyens annuels sur la période <math>d</math>.
* Le régime correspond aux variations saisonnières des débits ; il est généralement représenté en utilisant les débits mensuels moyens (voir ''figure 4'').
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* Le régime correspond aux variations saisonnières des débits ; il est généralement représenté en utilisant les débits mensuels moyens ; Sauquet ''et al.'' (2016) distinguent par exemple 12 familles de régime pour les cours d'eau français en fonction principalement de leur mode d'alimentation (régime nival, pluvionival, glaciaire, etc.) (voir ''figure 4'').
  
  
[[File:régimes.JPG|600px|center|thumb|<center>''<u>Figure 4</u> : Régimes moyens (en m<sup>3</sup>/s) de quelques fleuves dans le monde ; <u>Source</u> : [https://echo2.epfl.ch/e-drologie/chapitres/chapitre9/main.html cours hydrologie EPFL].''</center>]]
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[[File:regime_sauquet_eric.png|800px|center|thumb|<center>''<u>Figure 4</u> : Différents régimes hydrologiques en France ; <u>Source</u> : Sauquet ''et al.'' (2016).''</center>]]
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==Caractérisation des comportements extrêmes==
 
==Caractérisation des comportements extrêmes==
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* [[Débit solide (HU)|Débit solide]] ;
 
* [[Débit solide (HU)|Débit solide]] ;
 
* [[Débit spécifique (HU)|Débit spécifique]].
 
* [[Débit spécifique (HU)|Débit spécifique]].
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<u>Bibliographie</u> :
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* Sauquet, E., Catalogne, C., Plasse, J., Lang, M. (2016) : Guide pour l’exploitation des jaugeages en hydrologie - Application à la prédétermination des débits caractéristiques d’étiage ; rapport ONEMA ; 38p. ; disponible sur https://www.researchgate.net/publication/309557173_Guide_pour_l'exploitation_des_jaugeages_en_hydrologie_-_Application_a_la_predetermination_des_debits_caracteristiques_d'etiage
  
 
[[Catégorie:Dictionnaire_DEHUA]]
 
[[Catégorie:Dictionnaire_DEHUA]]

Version actuelle en date du 22 avril 2025 à 14:32

Traduction anglaise : Discharge, Flow

Dernière mise à jour : 22/04/2025

En hydrologie, volume d'eau (plus généralement de liquide) qui s'écoule en un point donné, pendant une durée donnée, à travers une section droite d’un écoulement ; les unités les plus courantes utilisées en hydrologie sont le m3/s, le L/s ou le m3/h.

Les méthodes mises en œuvre pour le mesurage du débit sont présentées dans l'article débitmétrie.

Sommaire

[modifier] Une grandeur difficile à appréhender

Le caractère d'évidence de la définition précédente cache en fait deux difficultés de taille :

  • La première difficulté est d'ordre métrologique. Comment mesurer un volume d'eau écoulé pendant une certaine durée ? Si le débit dans la rivière ou dans la conduite est faible on peut essayer de détourner tout le flux vers un récipient de volume connu et mesurer le temps nécessaire pour le remplir (avec l'hypothèse que ce débit reste constant pendant la durée de remplissage). Mais dès que le débit devient plus important, ce type de méthode devient bien évidemment impossible à mettre en œuvre. Voir Débitmétrie.
  • La seconde difficulté est plus fondamentale. Le débit est une grandeur qui varie avec le temps. Quelle doit être la durée d'observation ? une seconde ? une heure ? une année ?

Pour résoudre ces deux difficultés, on est en fait amené à redéfinir le débit moyen à partir de la notion de débit instantané.

[modifier] Débit instantané

Le débit instantané est théoriquement celui qui correspond à une durée d'observation tendant vers zéro.

En pratique, on en donne généralement une définition différente utilisant la notion, elle même pas si évidente, de vitesse d'écoulement (relation (1) et figure 1) :


Figure 1 : Définition du débit instantané à partir de la vitesse.


$ Q_i(t)=\iint_S{V(x,y,t).dx.dy}\quad(1) $

Avec :

  • $ Q_i(t) $ : débit instantané ;
  • $ S $ : section transversale de l’écoulement à l'instant $ t $ ;
  • $ V(x, y,t) $ : vitesse d'écoulement au point de coordonnées $ x $ et $ y $ à l'instant $ t</math, perpendiculairement à la section transversale $S</math>.

Cette nouvelle définition du débit présente l'intérêt d'être plus claire que la précédente (l'ambiguïté sur le temps est levée) et également plus proche des techniques métrologiques. La vitesse de l'eau est en effet une quantité physique théoriquement mesurable. Ainsi, si l'on mesure la vitesse moyenne de l'écoulement ($ V_j $) au travers de $ n $ petites surfaces $ S_j $, le débit instantané peut être évalué par la relation approchée (2) (figure 2):


Figure 2 : Principe de mesure du débit.


$ Q_i=\sum_{j=1}^n{V_j.S_j}\quad(2) $


Enfin, en introduisant la notion de vitesse moyenne de l'écoulement ($ V_m $) qui, pour certains types d'écoulement et moyennant quelques hypothèses simplificatrices, peut être calculée en fonction de paramètres physiques, on peut écrire la relation (3) :


$ Q_i=V_m.S\quad(3) $

Avec :

  • $ S $ : surface de la section transversale (section mouillée) (m2):


$ S=V_m.\sum_{j=1}^n{S_j}\quad(4) $

C'est ainsi, en mesurant la hauteur d'eau (dont on peut déduire la section mouillée) et la vitesse moyenne, que l'on accède le plus souvent à une valeur approchée du débit instantané.

[modifier] Débit moyen

Ayant défini le débit instantané, il est maintenant possible de calculer des débits moyens. Le débit moyen $ Q_m(d) $ sur une période d'observation $ d $ peut ainsi être calculé par la relation (5) :


$ Q_m(d)=\frac{1}{d}.\int_{t_0}^{t_0+d}{Q_i(t).dt}\quad(5) $


Selon la valeur de $ t_o $ (date du début des observations) et celle de $ d $ (durée des observations), une infinité de débits moyens peuvent être calculés.

Dans le cas des réseaux d'eaux usées, on utilise souvent un débit moyen horaire, ou un débit moyen journalier. Dans le cas de l'étude des crues il est nécessaire de travailler sur des pas de temps plus courts (typiquement quelques minutes en hydrologie urbaine).

Les variations du débit en fonction du temps sont souvent mises en évidence en traçant un hydrogramme (par exemple journalier pour les débits d'eaux usées ou événementiel pour les débits de crue) (voir figure 3).


Figure 3 : Exemple d'évolution des débits de temps sec sur une semaine mesurés au pas de temps de 6 mn.

[modifier] Caractérisation du régime des cours d'eau

Pour caractériser les régularités et les fluctuations saisonnières des débits dans les cours d'eau et fonction des saisons, on utilise généralement les notions de module et de régime.

  • Le module d'une rivière est égal au débit moyen calculé pour une durée d'observation $ d $ très grande (la plus grande possible) et égale à un nombre entier d'années ; le module est en fait égal à la moyenne des débits moyens annuels sur la période $ d $.
  • Le régime correspond aux variations saisonnières des débits ; il est généralement représenté en utilisant les débits mensuels moyens ; Sauquet et al. (2016) distinguent par exemple 12 familles de régime pour les cours d'eau français en fonction principalement de leur mode d'alimentation (régime nival, pluvionival, glaciaire, etc.) (voir figure 4).


Figure 4 : Différents régimes hydrologiques en France ; Source : Sauquet et al. (2016).


[modifier] Caractérisation des comportements extrêmes

Les valeurs moyennes (annuelles ou mensuelles) sont insuffisantes pour caractériser complétement un régime hydrologique. En effet, elles ne permettent pas de donner une information pertinente sur ses comportements extrêmes : périodes de crue (débits très forts) ou périodes d'étiage (débits très faibles). Elles n'ont d'ailleurs pas de sens pour un bassin versant urbain ou un réseau d'assainissement pluvial.

Pour caractériser ces comportements extrêmes, il devient nécessaire d'associer deux grandeurs au débit :

  • la durée de base $ d $ sur laquelle le débit instantané est moyenné ;
  • la période de retour $ T $, définie comme l'intervalle de temps moyen séparant deux événements dont la gravité est au moins égale à celle mesurée par le débit.

Ainsi, pour caractériser les débits de crues, on peut utiliser la quantité $ Q (d, T) $ : débit moyen sur la durée $ d $ et de période de retour $ T $ qui signifie que, en moyenne une fois toutes les $ T $ années, il y a une crue telle que le débit moyen sur une durée $ d $ est égal ou supérieur à $ Q (d, T) $.

Cette définition est d'ailleurs encore ambiguë car elle ne précise pas toutes les modalités du calcul. Par exemple, si $ d $ est égale à 24 heures, les moyennes peuvent être calculées sur une base de temps fixe (de 0h à 24h) ou sur une base de temps variable, en recherchant au cours de la crue la période de 24 heures au cours de laquelle le débit moyen a été le plus fort.

Pour une rivière, les durées de base $ d $ seront bien évidemment différentes selon que l'on s'intéressera aux crues ou aux étiages.

  • Pour une crue, on retiendra des valeurs de $ d $ très courtes : le jour, l'heure, voire quelques minutes. On parlera même parfois de débit de pointe instantané. Notons qu'il n'est pas souhaitable de trop diminuer $ d $, en effet le débit de pointe instantané n'a plus de signification hydrologique ou hydraulique précise lorsque la durée $ d $ devient très faible (inférieure à quelques minutes). Elle correspond en effet alors au passage d'ondes de très haute fréquence, liées plus à des instabilités hydrauliques qu'à une variabilité réelle du débit.
  • Pour un étiage, on s'intéressera à des valeurs de $ d $ plus longues : de quelques jours à quelques semaines, le plus souvent 1 mois (voir QMNA). L'utilisation de la notion de période de retour est encore plus délicate.

[modifier] Différents débits significatifs

En Hydrologie le mot débit est souvent intégré dans une expression pour désigner un concept spécifique. Sans prétendre à l'exhaustivité, les expressions suivantes font l'objet d'une définition dans le DEHUA:


Bibliographie :

Outils personnels