Influence de la granulométrie des particules sur la mesure par turbidimétrie des flux de matières en suspension dans les cours d’eau

Influence of grain size changes on the turbidity measurement of suspended solid fluxes in watercourses

¹ Irstea, UR HHLY, Hydrologie-Hydraulique, 5 rue de la Doua 69100 Villeurbanne
e-mail : fabien.thollet@irstea.fr
² EDF, LNHE, Bat. Q, 6 quai Watier, 76401 Chatou Cedex
e-mail : germain.antoine@edf.fr
³ IMFS, 2 rue Boussingault 67000 Strasbourg
e-mail : pierre.francois@unistra.fr

Résumé

Irstea mesure depuis 2009 les flux de sédiments en suspension sur le bassin versant de l’Arc en Maurienne, très producteur en sédiments, au moyen de quatre stations turbidimétriques chacune associées à une station débitmétrique. La mesure en continu de la turbidité est convertie en concentration en Matières En Suspension (MES) dans le cours d’eau par le biais d’analyses d’échantillons et par l’établissement de courbes d’étalonnage [MES] = f(turbidité) ; de même que les hauteurs d’eau sont converties en débit par courbes de tarage Q = f(h) établies par le biais de jaugeages.

Il apparaît cependant pour notre site d’étude qu’une relation moyenne n’est pas applicable à l’ensemble des évènements hydrologiques. En effet, pour une même concentration, la sensibilité du capteur de turbidité varie d’un événement à l’autre. L’erreur commise sur les flux événementiels peut ainsi atteindre 30 % typiquement et ponctuellement dépasser 80 % par rapport à un flux calculé avec une relation moyenne, tandis que l’erreur sur le flux annuel moyen reste acceptable (inférieure à 15 % typiquement).

Une des hypothèses régulièrement avancées pour expliquer ces changements de relations [MES] = f(turbidité) est la variation de la granulométrie des sédiments. Ce document présente un retour d’expérience sur la mise en évidence de la variation de sensibilité de la sonde turbidimétrique en fonction de la fraction granulométrique étudiée. Celle-ci est trouvée proportionnelle à l’inverse du diamètre médian de la fraction étudiée.

La stratégie de gestion des courbes d’étalonnage turbidimétrique revêt donc autant d’importance que celles des courbes de tarage pour l’estimation de flux dont l’incertitude usuelle est moindre surtout à l’échelle évènementielle.

Abstract

Since 2009, Irstea has been measuring suspended sediment fluxes on the Arc river in the French Alps, a great sediment contributor, by using turbidity monitoring systems at four stations; each of them is associated with a discharge measurement system. High frequency turbidity measurement is converted into Suspended Sediment Concentration (SSC) through a SSC = f(turbidity) relation, thanks to sample analysis. Nevertheless a mean relation is not relevant for all flood events for our study site since turbidity sensors do not give the same response for a given SSC. Therefore with the event-scale relation, the uncertainty on the sediment flux can typically reach 30% and sometimes exceed 80% compared with the mean relation while the uncertainty on annual flux remains acceptable (less than 15%)

A hypothesis to explain this variable relation is the variation of the SSC grain size in the river. This paper presents the results obtained with an experiment showing the variations of sensitivity of the turbidity sensor to suspensions with different grain size. It isfound to be correlated inversely proportional to the median diameter of the particles.

Strategy for managing turbidity calibrations is thus as important as rating curves for hydrometric stations for estimating suspended sediment fluxes. The uncertainty on rating curves is lower especially for the event scale.