{"id":1744,"date":"2019-11-27T21:40:57","date_gmt":"2019-11-27T20:40:57","guid":{"rendered":"https:\/\/www.pedagogie.ac-nice.fr\/svt\/?p=1744"},"modified":"2023-06-12T10:03:33","modified_gmt":"2023-06-12T08:03:33","slug":"jaugeage-du-debit-dun-cours-deau-par-dilution-de-chlorure-de-sodium","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.pedagogie.ac-nice.fr\/svt\/?p=1744","title":{"rendered":"Jaugeage du d\u00e9bit d\u2019un cours d\u2019eau par dilution de chlorure de sodium"},"content":{"rendered":"

Auteurs : Fabrice Mourau1,3<\/sup> ; Bruno Arfib2<\/sup><\/p>\n

1 : Coll\u00e8ge Pierre de Coubertin, \u00c9ducation nationale (Le Luc)<\/span><\/p>\n

2 : CEREGE \u2013 OSU PYTHEAS \u2013 Aix-Marseille Universit\u00e9 (Marseille)<\/span><\/p>\n

3 : EDUMED Observatory \u2013 UMR G\u00e9oazur – OCA \u2013 Universit\u00e9 de C\u00f4te d\u2019Azur (Valbonne)<\/span><\/p>\n

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Les \u00e9pisodes de pluies intenses m\u00e9diterran\u00e9ennes affectent r\u00e9guli\u00e8rement notre territoire. En relation avec le changement climatique, on craint que leur fr\u00e9quence augmente graduellement dans les ann\u00e9es \u00e0 venir. Les risques qui en d\u00e9coulent doivent donc \u00eatre prioritairement enseign\u00e9s aux \u00e9l\u00e8ves de l’acad\u00e9mie de Nice. L’\u00e9valuation de l’al\u00e9a  crue\/inondation est directement li\u00e9e \u00e0 la notion de d\u00e9bit. Nous pr\u00e9sentons ici deux m\u00e9thodes qui permettent d’aborder cette notion sur le terrain par l’exp\u00e9rimentation. Elles offrent aux \u00e9l\u00e8ves une approche pratique qui facilitera la compr\u00e9hension et permettra une sensibilisation plus efficace au risque.<\/p>\n

Tr\u00e8s utilis\u00e9es en hydrologie et enseign\u00e9e aux \u00e9tudiants de mast\u00e8re, ces techniques peuvent parfaitement \u00eatre adapt\u00e9es pour des \u00e9l\u00e8ves de l\u2019enseignement secondaire. Nous proposerons des pistes d\u2019int\u00e9gration du TP au cycle 4<\/strong> dans la partie \u00ab Risques \u00bb, en Seconde<\/strong> (SVT) et en enseignement scientifique de Premi\u00e8re<\/strong>.<\/p>\n

\"\"T\u00e9l\u00e9charger directement l’article sur le site Edumed-Observatory<\/a><\/p>\n

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Le d\u00e9bit d\u2019un cours d\u2019eau<\/strong><\/p>\n

Le d\u00e9bit d\u2019un cours d\u2019eau constitue une notion importante dans l\u2019\u00e9valuation de la ressource en eau ainsi que la compr\u00e9hension des ph\u00e9nom\u00e8nes de crue. Suivant la dimension du cours d\u2019eau \u00e9tudi\u00e9, il peut \u00eatre exprim\u00e9 en m3<\/sup>\/s ou en l\/s et correspond au volume d\u2019eau traversant une section transversale \u00e0 l\u2019\u00e9coulement par unit\u00e9 de temps (Figure 1).<\/p>\n

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Sur le terrain, l\u2019estimation du d\u00e9bit est un pr\u00e9alable n\u00e9cessaire \u00e0 la mesure. Il va permettre de choisir la masse de sel \u00e0 dissoudre et la distance entre le point d\u2019injection et le point de mesure. On chronom\u00e8tre un flotteur quelconque pour mesurer la vitesse de l\u2019\u00e9coulement. On applique au r\u00e9sultat un coefficient de 2\/3 afin de prendre en compte la diff\u00e9rence de vitesse d\u2019\u00e9coulement entre le fond et la surface de l\u2019eau. Sur la figure 1, nous avons chronom\u00e9tr\u00e9 puis calcul\u00e9 une vitesse de 0,4 m\u00e8tre par seconde en surface. Nous avons estim\u00e9 une vitesse moyenne d\u2019\u00e9coulement de 0,4 X 2\/3 = 0,266 m\/s. Pour une section approximative de 1 m2<\/sup>, le d\u00e9bit estim\u00e9 \u00e9tait donc de l\u2019ordre de 0,266 m3<\/sup>\/s.<\/p>\n

Deux m\u00e9thodes de jaugeage du d\u00e9bit par dilution d\u2019un traceur salin<\/strong><\/p>\n

On injecte une masse M<\/strong> de chlorure de sodium dans un cours d\u2019eau, puis on observe en aval le passage du nuage salin (figure 2). La premi\u00e8re m\u00e9thode de jaugeage consiste \u00e0 mesurer l\u2019\u00e9volution de la conductivit\u00e9 \u00e9lectrique de l\u2019eau \u00e0 l\u2019aide d\u2019un conductim\u00e8tre. La seconde m\u00e9thode n\u00e9cessite de r\u00e9aliser des pr\u00e9l\u00e8vements d\u2019un volume d\u2019eau constant \u00e0 pas de temps constant.<\/p>\n

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Avec un groupe classe, on peut r\u00e9partir les \u00e9l\u00e8ves en plusieurs groupes sur le terrain. Certains seront charg\u00e9s de l\u2019injection du traceur salin, 2 \u00e0 3 autres groupes peuvent r\u00e9aliser des pr\u00e9l\u00e8vements manuels alors que d\u2019autres seront charg\u00e9s de r\u00e9aliser les mesures de conductivit\u00e9.<\/p>\n

Les points d\u2019injection et de mesure doivent \u00eatre s\u00e9par\u00e9s d\u2019une distance comprise entre 50 et 100 m\u00e8tres dans une petite rivi\u00e8re. Si la distance est trop courte, le sel n\u2019aura pas le temps de se disperser dans l\u2019int\u00e9gralit\u00e9 du volume circulant. Avec la distance qui augmente, on risque cependant de perdre une partie du sel. Du point de vue de la qualit\u00e9 de la mesure, le tron\u00e7on ne doit pas pr\u00e9senter de zones d\u2019eaux mortes et \u00eatre facilement accessible sur toute sa longueur. Une reconnaissance du terrain est donc n\u00e9cessaire pour l\u2019enseignant qui veut r\u00e9aliser la mesure avec sa classe. La s\u00e9curit\u00e9<\/strong> des \u00e9l\u00e8ves est le premier crit\u00e8re de choix du tron\u00e7on de rivi\u00e8re \u00e9tudi\u00e9. Il doit \u00eatre accessible sur toute sa longueur, \u00eatre peu profond et pr\u00e9senter un d\u00e9bit raisonnable. La figure 3 rappelle que m\u00eame des hauteurs d\u2019eau faibles pr\u00e9sentent un danger r\u00e9el pour des vitesses sup\u00e9rieures \u00e0 0,25 m.s-1<\/sup>.<\/p>\n

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Avec un d\u00e9bit de 266 Litres par seconde, nous avons utilis\u00e9 une masse de 1039 grammes de NaCl. La masse de sel \u00e0 injecter d\u00e9pend du d\u00e9bit et de la taille du cours d\u2019eau. Pour une petite rivi\u00e8re comme le Gapeau, elle peut varier de 1kg \u00e0 100g pour 100 L\/s en fonction de la distance entre les points d\u2019injection et de mesure. La solubilit\u00e9 du chlorure de sodium dans l\u2019eau froide est de l\u2019ordre de 360 g\/L. On pr\u00e9pare donc une saumure dans un grand volume d\u2019eau de la rivi\u00e8re car l\u2019int\u00e9gralit\u00e9 du sel doit \u00eatre dissous avant injection (figure 4).<\/p>\n

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Premi\u00e8re m\u00e9thode : mesure continue de la conductivit\u00e9 \u00e9lectrique.<\/strong><\/p>\n

Les mesures ont \u00e9t\u00e9 r\u00e9alis\u00e9es avec un conductim\u00e8tre sans fil PS-3210 de marque PASCO, distribu\u00e9 en France par Sordalab. Nous l\u2019avons choisi pour son faible co\u00fbt pour un conductim\u00e8tre et sa facilit\u00e9 d\u2019utilisation. M\u00eame s\u2019il est \u00e9tanche \u00e0 la norme IP67 (30 minutes sous 1 m\u00e8tre d\u2019eau), nous l\u2019avons fix\u00e9 \u00e0 un flotteur en polystyr\u00e8ne, les donn\u00e9es ont \u00e9t\u00e9 enregistr\u00e9es de la rive \u00e0 l\u2019aide d\u2019une tablette et de l\u2019application d\u00e9di\u00e9e Capstone. Un thermom\u00e8tre PS-3201 de la m\u00eame s\u00e9rie a \u00e9t\u00e9 utilis\u00e9 en m\u00eame temps afin de r\u00e9aliser un suivi de la temp\u00e9rature de l\u2019eau durant la mesure (figure 5). Le pas d\u2019\u00e9chantillonnage est de 5 secondes. Une fois le nuage salin pass\u00e9, les donn\u00e9es sont exploit\u00e9es sur le terrain, puis extraites au format .CSV pour les calculs qui seront r\u00e9alis\u00e9s en classe.<\/p>\n

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Exploitation des r\u00e9sultats de la mesure :<\/strong><\/p>\n

    \n
  1. Relation entre la conductivit\u00e9 \u00e9lectrique<\/u> et la concentration saline.<\/u><\/li>\n<\/ol>\n

    Il existe une fonction lin\u00e9aire reliant la conductivit\u00e9 \u00e9lectrique Ce<\/sub> d\u2019une eau de rivi\u00e8re \u00e0 sa concentration en chlorure de sodium dissous [NaCl]. La conductivit\u00e9 \u00e9lectrique varie en fonction d\u2019un coefficient alpha l\u00e9g\u00e8rement inf\u00e9rieur \u00e0  1\/2 de la conductivit\u00e9 naturelle de la rivi\u00e8re.<\/p>\n

    \"\"<\/p>\n

    Sur le terrain, on estime que a=1\/2 et b sera corrig\u00e9 en soustrayant Ci<\/sub> aux r\u00e9sultats de mesure.<\/p>\n

    \"\"<\/p>\n

    D\u2019un point de vue plus rigoureux, on peut tracer la courbe de tarage. Au laboratoire on r\u00e9alise plusieurs saumures avec de l\u2019eau pr\u00e9lev\u00e9e le jour de la mesure. On d\u00e9termine graphiquement les param\u00e8tres de la fonction affine reliant concentration et conductivit\u00e9 \u00e9lectrique.<\/p>\n

    \"\"<\/p>\n

    2. Calcul de d\u00e9bit.<\/u><\/p>\n

    Ci<\/sub> : la concentration initiale de sel circulant naturellement dans la rivi\u00e8re (g\/m3<\/sup>).<\/p>\n

    Cm<\/sub> : la concentration moyenne de sel mesur\u00e9e pendant la manipulation (g\/m3<\/sup>).<\/p>\n

    Delta Cm est l\u2019\u00e9l\u00e9vation moyenne de la concentration de NaCl li\u00e9e \u00e0 notre manipulation :<\/p>\n

    \"\"<\/p>\n

    Q : d\u00e9bit (m3<\/sup>\/s)<\/p>\n

    T : temps de passage (s)<\/p>\n

    \"\"<\/p>\n

    M : la masse de NaCl inject\u00e9e (g)<\/p>\n

    V : le volume dans lequel le sel s\u2019est dissous (m3<\/sup>)<\/p>\n

    \"\"<\/p>\n

    On remplace V par son expression li\u00e9e au d\u00e9bit :<\/p>\n

    \"\"<\/p>\n

    On obtient donc la formule de calcul du d\u00e9bit :<\/p>\n

    \"\"<\/p>\n

    \"\"<\/p>\n

    R\u00e9sultats :<\/u><\/p>\n

    \"\"<\/p>\n

    Deuxi\u00e8me m\u00e9thode : pr\u00e9l\u00e8vement d\u2019eau.<\/strong><\/p>\n

    Comme pr\u00e9c\u00e9demment, l\u2019objectif est de conna\u00eetre la concentration moyenne de sel qui circule dans la rivi\u00e8re pendant un temps T. Nous allons utiliser un seau et un petit r\u00e9cipient (figure 6).  A Partir de T0<\/sub>, moment de l\u2019injection, on va pr\u00e9lever toutes les 5 secondes le m\u00eame volume V d\u2019eau dans la rivi\u00e8re. On continue le pr\u00e9l\u00e8vement jusqu\u2019\u00e0 ce que le nuage salin soit enti\u00e8rement pass\u00e9. La conductivit\u00e9 \u00e9lectrique de l\u2019eau pr\u00e9lev\u00e9e en fin de manipulation correspond \u00e0 la conductivit\u00e9 moyenne Cm<\/sub> de la rivi\u00e8re sur le temps T. Les calculs qui suivent sont les m\u00eames que pour la premi\u00e8re m\u00e9thode.<\/p>\n

    \"\"<\/p>\n

    Discussion et place de cette manipulation dans les programmes de l\u2019enseignement secondaire<\/strong><\/p>\n

    L\u2019\u00e9tude du d\u00e9bit est importante d\u00e8s le cycle 4. En relation avec le changement climatique et l\u2019augmentation probable de fr\u00e9quence des \u00e9pisodes m\u00e9diterran\u00e9ens, il est abord\u00e9 dans le cadre de l\u2019enseignement du risque. Le d\u00e9bit permet de d\u00e9finir l\u2019al\u00e9a mais il constitue une notion compliqu\u00e9e pour les coll\u00e9giens car elle implique \u00e0 la fois un volume et une vitesse. La mesure sur le terrain offre aux \u00e9l\u00e8ves une approche concr\u00e8te et pratique qui leur permet de s\u2019approprier plus facilement la grandeur. L\u2019\u00e9tude de photographies et de documents vid\u00e9o permet de les sensibiliser aux effets des crues et surtout aux dangers qu\u2019elles induisent pour eux et la population en g\u00e9n\u00e9ral (figure 7). Le programme de cycle 4 aborde \u00e9galement la ressource en eau et le d\u00e9bit permet aussi de dimensionner la ressource disponible pour l\u2019irrigation par exemple. Pour les coll\u00e9giens, l\u2019analyse des r\u00e9sultats peut \u00eatre simplifi\u00e9e. On peut fournir \u00e0 l\u2019\u00e9l\u00e8ve une feuille de calcul pr\u00e9-remplie avec des champs \u00e0 compl\u00e9ter.<\/p>\n

    \"\"<\/p>\n

    Figure 7 : Photographie de notre station de mesure apr\u00e8s l\u2019\u00e9pisode de pluies m\u00e9diterran\u00e9ennes intenses du 23 novembre 2019.<\/p>\n

    En seconde, on peut aborder le d\u00e9bit dans la partie G\u00e9osciences et dynamique des paysages<\/em> en relation avec les conditions de transport et de s\u00e9dimentation dans le domaine continental. La manipulation est une mesure r\u00e9alis\u00e9e dans l\u2019environnement qui peut aussi \u00eatre trait\u00e9e en interdisciplinarit\u00e9 dans le cadre de l\u2019enseignement scientifique de premi\u00e8re en lien avec l\u2019\u00e9ducation au d\u00e9veloppement durable. La sonde de conductivit\u00e9 peut relativement facilement \u00eatre construite en lyc\u00e9e dans le cadre du projet d\u2019enseignement scientifique \u00e0 l\u2019aide d\u2019une carte Arduino et d\u2019un capteur de conductivit\u00e9 (Atlas scientific<\/em> par exemple).<\/p>\n

    Du point de vue pratique, on trouve assez facilement un conductim\u00e8tre dans les laboratoires de sciences physiques au lyc\u00e9e. Le mod\u00e8le PASCO utilis\u00e9 pour cet article est peu pr\u00e9cis mais peu cher (160 euros environ).  Il conviendra tr\u00e8s bien pour un usage au coll\u00e8ge sans trop affecter la validit\u00e9 des mesures, bas\u00e9es sur une diff\u00e9rence de conductivit\u00e9.<\/p>\n

     <\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

    Auteurs : Fabrice Mourau1,3 ; Bruno Arfib2 1 : Coll\u00e8ge Pierre de Coubertin, \u00c9ducation nationale (Le Luc) 2 : CEREGE \u2013 OSU PYTHEAS \u2013 Aix-Marseille Universit\u00e9 (Marseille) 3 : EDUMED Observatory \u2013 UMR G\u00e9oazur – OCA \u2013 Universit\u00e9 de C\u00f4te d\u2019Azur (Valbonne) Les \u00e9pisodes de pluies intenses m\u00e9diterran\u00e9ennes affectent r\u00e9guli\u00e8rement notre territoire. En relation avec le changement climatique, on … <\/p>\n

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