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Pluviomètre (HU)

De Wikibardig
Version du 11 mai 2021 à 09:53 par Bernard Chocat (discuter | contributions)

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Traduction anglaise : Rain gage (USA), Rain gauge (RU)

Dernière mise à jour : 11/05/2021

Mot en chantier

Ce texte est largement inspiré de l'article "Pluviomètre" de l'encyclopédie de l'hydrologie urbaine et de l'assainissement (Chocat et al., 1997).

Appareil de mesure du cumul des précipitations atmosphériques atteignant le sol.

Sommaire

Principes de base

Le principe de base consiste à capter le flux de précipitations à l'aide d'un réceptacle horizontal de surface connue, puis de mesurer, par enregistrement des basculements d’augets, par pesée ou par jaugeage, la quantité d'eau ainsi recueillie. Destiné avant tout à la mesure de la pluie, il peut être aménagé pour la mesure de la neige (pluviomètre chauffant) mais il est inefficace pour la grêle (les grêlimètres sont de simples plaques de polystyrène que marquent les impacts des grêlons). On distingue :

  • le pluviomètre totalisateur (ou journalier) pour lequel la mesure de la quantité d'eau recueillie est réalisée par un opérateur, le cumul mesuré porte donc sur la période séparant deux lectures ;
  • le pluviomètre enregistreur qui est doté d'un système automatique de jaugeage permettant de mémoriser de façon discrète ou continue l'évolution du cumul dans le temps, souvent improprement appelé pluviographe.

Eléments d'historique

Il est difficile de situer l'origine exacte du pluviomètre. Différents textes anciens mentionnent des mesures de pluie liées aux activités agricoles de différentes civilisations en Inde au IVème siècle avant J.C., ou bien en Palestine et en Chine au début de l'ère chrétienne (L'Hote, 1991). Le premier pluviomètre connu date de 1441 et a été trouvé en Corée. Il était en bronze.

Le premier pluviomètre "moderne" semble avoir été inventé en 1663 par l'Anglais Christopher Wren (1632-1723) qui l'avait intégré dans son "météographe". Cet appareil enregistrait plusieurs paramètres météorologiques, tels que la température de l'air, la direction du vent et donc, les précipitations. Le pluviomètre lui même était constitué d'un entonnoir récepteur et de trois compartiments qui récupéraient chaque heure à tour de rôle les précipitations. (education.meteofrance.fr).

En Europe des séries de mesures des cumuls mensuels de pluie ont été constituées dès le début du XVIIème siècle, en général dans des villes importantes. Elles sont été obtenues à l'aide de pluviomètres totalisateurs. A titre d'exemple la figure 1 présente une série de cumuls annuels mesurés à Paris.


Figure 1 : Cumuls annuels mesurés à l'Observatoire royal de Paris de 1689 à 1754 ; Source Dettwiller (1980)

Ces mesures illustrent, bien sûr, la forte variabilité interannuelle des précipitations sous notre climat (pour une hauteur moyenne sur ces 66 années de 455 mm, l'écart-type est de 100 mm), mais aussi la difficulté de réaliser ce type de mesures. Comparées à une série postérieure (1881-1950) dont la moyenne est de 604 mm, elles apparaissent comme fortement sous-estimées. Il n'est en effet pas possible d'attribuer cette différence de près de 25% à un changement de climat. L'instrument employé à l'époque (un "udomètre" qui est constitué d'un système à réceptacle rectangulaire relié à un réservoir), ainsi que son emplacement, sont sans doute responsables de cette différence. Il est à noter que les écrits de l'époque témoignent déjà d'une connaissance précise des sources d'erreur : déficit de captation, évaporation, etc..

Au début du XXème siècle, le besoin des aménageurs de caractériser les pluies fortes et brèves, notamment pour les applications urbaines, conduit à créer des instruments capables de mesurer des cumuls sur de courtes durées sans recours à un opérateur. Les pluviomètres enregistreurs graphiques (ou pluviographes) sont construits en recourant à une grande diversité de principes et de technologies, d'ailleurs souvent inventés depuis plusieurs siècles. L'eau captée par le réceptacle est soit pesée, soit jaugée. Les formes de pesons sont multiples. Les méthodes de jaugeage utilisent à l'origine des réservoirs à flotteur. A titre d'exemple de ce foisonnement instrumental citons le cas du pluviomètre Jardi, conçu à Barcelone dans les années 1920 pour répondre à un besoin d'hydrologie urbaine. Son principe très raffiné lui permet théoriquement de mesurer les intensités de pluie instantanées (voir figure 2).


Figure 2 : Schéma de principe du pluviomètre Jardi : un cône flottant règle l'écoulement de l'eau entre deux réservoirs en cascade ; le galbe du cône permet de relier linéairement la hauteur du flotteur à l'intensité de pluie ; Source Chocat et al. (1997)
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Dans la pratique ce pluviomètre fut seulement construit à quelques exemplaires par la société Richard à Paris. Il fonctionne depuis 1927 à l'Observatoire Fabra à Barcelone, mais la complexité de son principe a nécessité des corrections permanentes qui rendent sa série de mesures assez peu fiable.

Avec le temps, une sélection sévère tend à privilégier les systèmes simples et fiables. Selon les pays et les climats cette sélection est orientée par la nature des pluies et par les conditions de température. Le Nord de l'Europe utilise beaucoup les réservoirs à siphon (apparus vers 1930) ou la pesée, les pays méditerranéens privilégient plutôt les systèmes à augets basculeurs (apparus vers 1950 avec les marques Queney et Richard).

Les années 1980 ont marqué pour ce type de mesure, comme pour beaucoup d'autres en géophysique, la fin de l'époque "horloge mécanique et encre". Les systèmes graphiques d'enregistrement sont remplacés par des systèmes numériques réglés par une horloge à quartz et dotés d'une large mémoire statique. La nécessité pour ces systèmes de lire un signal électrique a curieusement privilégié dans un premier temps la mesure par augets pour laquelle un simple contacteur à mercure résout la question. Le terme pluviographe devient donc caduc mais demeure très utilisé.

Depuis la fin du du XXème siècle les pluviomètres à augets sont concurrencés par des pluviomètres à pesée, plus précis (en particulier pour les fortes intensités) et plus stables, mais également plus sensibles au vent.

En marge de ces pluviomètres classiques, que l'on peut caractériser par le fait qu'ils captent le flux de précipitations, d'autres types d'instruments non-captants ont été développés en liaison avec les problèmes de télécommunication. Différents principes optiques (atténuation, scintillement) ou acoustiques (mesure de l'énergie des impacts sur une membrane) ont été employés pour mesurer les tailles et/ou la vitesse des gouttes de pluie traversant un volume d’échantillonnage de quelques centaines de cm3. Voir Disdromètre (HU).

Principes de fonctionnement et précision

Nous décrirons d'abord le dispositif captant, commun à tous les pluviomètres, et son utilisation dans le cadre des pluviomètres non enregistreurs, puis les deux types de pluviomètres les plus courants : pluviomètres à augets basculants et pluviomètres à pesée.

Dispositif captant et pluviomètre non enregistreur

Les pluviomètres non enregistreurs ont un mode de fonctionnement tout à fait rudimentaire et essentiellement lié à leur dispositif captant (voir figure 3).


Figure 3 : Schéma de principe d'un pluviomètre non-enregistreur type "Association", premier pluviomètre national homologué conçu en 1867 par l'Association Scientifique de France, d'où son nom ; Source Chocat et al. (1997)


Le flux de précipitation est capté par une bague réceptrice de diamètre donné (en France il est généralement de 22,6 cm ce qui donne une surface réceptrice de 400 cm2). L'eau recueillie est déversée dans un réservoir par un entonnoir, ou cône de réception, éventuellement muni d'une grille pour arrêter les impuretés.

Pour mesurer la hauteur de précipitation, l'opérateur utilise une éprouvette graduée qui donne par lecture directe la hauteur du cumul de pluie à condition, bien sûr, que les graduations correspondent bien à la surface réceptrice.

Malgré son côté rudimentaire et sa facilité d'utilisation, cet appareil est soumis à différentes sources d'erreurs significatives. Les deux premières sont des erreurs humaines qui peuvent être évitées si l'opérateur est un peu expérimenté ou si on utilise un appareil enregistreur :

  • emploi d'une éprouvette non adaptée ;
  • erreur de lecture des graduations.

Les autres erreurs sont inhérentes au principe de la captation du flux et touchent donc tous les types de pluviomètres (enregistreurs ou non) fonctionnant sur ce principe. Elles vont toutes dans le sens d'un déficit de mesure.

Pertes dues au vent

En présence de vent, le pluviomètre constitue un obstacle à la circulation de l'air, générateur d'un sillage turbulent. Le flux de précipitation est donc perturbé au voisinage de la bague réceptrice. Les caractéristiques du sillage, et donc la perturbation apportée à la mesure, vont dépendre :

  • de la vitesse du vent (voir figure 4),
  • de la forme du pluviomètre et de sa taille : elles sont réduites par le profilage du cône (les appareils cylindriques sont plus sensibles au vent) ;
  • des conditions locales de la circulation de l'air et donc du site où le pluviomètre est installé (hauteur de l'appareil, géométrie des environs, relief, végétation, constructions).
Figure 4 : Relation entre le pouvoir de captation d'un pluviomètre et la vitesse du vent ; ce graphe résume les estimations données par différents auteurs à propos d'une dizaine d'analyses sur la pluie (synthèse fournie en 1957 par la branche canadienne de la Royal Meteorological Society) ; Source Chocat et al. (1997)

[Rodda, 1967] estime annuellement à 7% le déficit de captation d'un pluviomètre placé à 30,5 cm de hauteur (norme anglaise de 1 pied, la norme française est de 1 m) par rapport à un pluviomètre enterré dans un puits, de manière à ce que la surface de captation affleure le sol. [Lavabre, 1988] montre d'après une année d'observation avec 6 pluviomètres que la hauteur du pluviomètre (voir figure 5) et la forme de son carter conduisent à des écarts de mesure statistiquement significatifs.


Figure 5 : Comparaison relative entre les mesures mensuelles de pluviomètres placés à 0 (bandes claires) et 4 mètres (bandes hachurées) de hauteur par rapport à un pluviomètre de référence placé à 1 mètre ; Source Lavabre (1988) repris par Chocat et al. (1997)

Notons que peu d'expériences de ce type ont été publiées pour des pas de temps plus courts et sur d’autres sites (singulièrement en site urbain - implantation dans des rues ou sur des toits par exemple).

Pertes dues à un défaut d'horizontalité de la surface de captation

La surface de captation doit être horizontale. Les erreurs commises sont cependant faibles (respectivement 0,4% - 1,5% et 6% pour des angles d'inclinaison de l'appareil de 5°, 10° et 20°) et cette erreur peut facilement être évitée.

Pertes dues aux éclaboussures

Sous l'effet de leur vitesse, certaines gouttes d'eau rejaillissent en partie à l'extérieur de la bague réceptrice en atteignant le cône de réception et échappent ainsi en partie à la mesure. Le déficit de captation résultant de ce phénomène d'éclaboussement est fonction de la taille des gouttes qui dépend elle même de l'intensité de pluie. Il est sans doute généralement inférieur à 1%.

Pertes due au mouillage du cône de réception

En début de période pluvieuse, une fraction de la pluie reçue va servir à mouiller la surface du cône de réception sans rejoindre le réservoir de mesure. Le déficit résultant du mouillage est de l'ordre de 0,5%. D'autre part une fraction de l'eau reçue par le pluviomètre est également perdue par évaporation au niveau du cône de réception mais aussi au niveau du réservoir de mesure. Cette perte dépend des conditions de température et d'humidité. Elle est aussi de l'ordre de 0,5%.

Les pluviomètres enregistreurs

Ils ont tous un système de captation identique à celui du pluviomètre non-enregistreur avec parfois des surfaces réceptrices différentes (400 cm2, 1000 cm2 et 2000 cm2). Ils se distinguent en revanche par la méthode de mesure de l'eau captée. Nous décrirons les deux dispositifs les plus courants

Dispositifs à augets basculeurs

La mesure par augets basculeurs a été pendant longtemps la plus répandue en France. Le débit d'eau de pluie captée sert à remplir alternativement deux augets symétriques basculant sous le poids de l'eau qu'ils contiennent (voir figure 6) : il s'agit d'une mesure discrète.


Figure 6 : Schéma de principe du système à augets basculeurs; Source Chocat et al. (1993)

La taille respective des augets et de la bague réceptrice détermine la sensibilité du système. Les augets les plus courants sont réglés pour basculer à 20 grammes. Les basculements se font alors pour 0.1, 0.2, et 0.5 mm de pluie tombée lorsque les bagues réceptrices ont respectivement 20, 10 et 4 dm2. Pour permettre une meilleure sensibilité avec de petites surfaces réceptrices, des systèmes à augets basculant à 2 grammes existent également.

L'avantage majeur de ce système simple et robuste est sa facilité de digitalisation en vue de l'enregistrement ou de la télétransmission de ses mesures. Il suffit de solidariser un contacteur à mercure aux augets pour obtenir un signal électrique simple à chaque basculement (n'importe quel dispositif de comptage électronique convient, la conversion analogique-numérique est inutile). Le dispositif d'enregistrement mémorise alors le nombre de basculements pendant une période de temps fixée ou bien l'heure de chaque basculement (ce qui est plus judicieux lorsque l'on s'intéresse aux petits pas de temps).


Figure 7 : photo à mettre - Détail du mécanisme. Le contacteur à mercure, situé sous les augets permet la mesure simple et fiable du nombre de basculements ; photo Grand Lyon.

Hormis les pannes mécaniques (grippage des augets et usure progressive du mécanisme) ou hydrauliques (bouchage du conduit d'alimentation, dépôt d'impuretés dans les augets qui en modifient le point de basculement), qu'un entretien régulier permet de limiter (une visite par semaine est impérative pour ce type d'appareil), le principal défaut des augets est la perte au basculement.

La rupture d'équilibre qui conduit au basculement est relativement lente (de l'ordre d'une demie-seconde). Pendant ce laps de temps le débit d'eau venant du cône de réception contribue à surremplir l'auget en place et donc n'est pas comptabilisé par le dispositif. Ce déficit va dépendre naturellement du débit, donc de l'intensité de pluie. La réponse du dispositif à augets n'est pas linéaire. Il est difficile de concevoir une correction de ce type d'erreur car elle dépend de l'intensité instantanée de la pluie que l'on ne connaît pas. Il est cependant possible de prendre deux précautions très utiles :

  • régler les augets de manière à ce qu'ils basculent pour la hauteur de pluie nominale (0,1 mm par exemple) à une intensité choisie en fonction de l'application (voir figure 8) ; on est alors assuré d'avoir une mesure correcte autour de cette intensité, une surestimation des intensités inférieures et une sous-estimation des intensités supérieures ;
  • collecter la totalité de l'eau de pluie captée en installant un réservoir en aval des augets que l'on jauge par simple pesée à l'occasion de chaque visite de contrôle ; cette précaution indispensable permet de vérifier que le nombre total de basculements enregistrés correspond bien au cumul d'eau recueilli (voir figure 9).


Figure 8 : Graphe d'étalonnage d'un pluviomètre à augets basculeurs ; cet étalonnage se fait à l'aide d'un vase de Mariotte et d'ajutages choisis pour imposer différentes intensités. Le réglage des augets permet ici une mesure exacte pour des intensités de 100 mm/h ; Source Chocat et al. (1997)

Il faut enfin remarquer que la nature discrète de ce principe de mesure (on comptabilise des quanta de 0,1, 0,2 voire 0,5 mm) peut constituer une gêne au regard de certains objectifs :

  • la détection des débuts et des fins d'averse est approximative car, au delà du temps nécessaire au mouillage du cône de réception, il faut attendre le remplissage du premier auget ou la vidange du dernier (qui peut se faire lors de la pluie suivante !) ;
  • la description des faibles intensités est médiocre.

Dispositif à pesée

Le système alternatif qui se développe le plus est le pluviomètre à pesée. Son principe est très simple et consiste à mesurer en continu le poids du réservoir de mesure, généralement à l'aide d'une jauge de contrainte. La variation instantanée de ce poids est directement proportionnelle à l'intensité. Le volume du réservoir étant limité, un dispositif de siphonnage automatique permet de le vidanger régulièrement.

L'avantage essentiel de ce système est la continuité de la mesure. Le débit entrant dans le réservoir est déterminé par simple différence entre deux mesures successives avec la résolution temporelle souhaitée par l'utilisateur, laquelle peut être très faible.

En dehors des pannes mécaniques ou hydrauliques (détérioration du système de pesée, bouchage ou gel du siphon de vidange) les principaux défauts de ce dispositif sont :

  • la perte de mesure au moment de la vidange du réservoir (mais les réservoirs actuels sont suffisamment grands pour que cette difficulté ne soit pas réellement bloquante) ;
  • la forme cylindrique du réservoir qui offre une prise au vent plus importante et augmente les turbulences.

Comparaison des deux dispositifs

La figure 9, extraite de GRAIE (2009) fournit une synthèse des avantages et inconvénients des différents dispositifs.


Figure 9 : Avantages et inconvénients des différents types de pluviomètres ; Source GRAIE (2009)

Problèmes pratiques

Les principaux problèmes pratiques posés par les pluviomètres en ville sont liés au choix de leur site d'implantation et à leur maintenance.

Le site d'implantation

Les critères d'implantation d'un pluviomètre font l'objet d'une note technique détaillée de classification des sites de mesure produite par Météo France (Leroy et Lèches, 2014). Ces recommandations portent principalement sur (voir figure 10) :

  • la hauteur d'installation du pluviomètre  : 1 mètre au-dessus du terrain naturel ;
  • le choix du terrain : de préférence plat et enherbé ;
  • l'absence d'obstacle à proximité du pluviomètre : une règle empirique est de ne pas situer un pluviomètre à moins de deux fois la hauteur des obstacles qui l'entourent.
Figure 10 : Schématisation d'un site de classe (optimum) ; Source : Leroy et Lèches (2014)

De plus, comme pour tout instrument de mesure installé sur le terrain, un certain nombre de considérations pratiques guident également le choix d'un site : alimentation électrique, câblage téléphonique, accord du propriétaire, protection contre le vandalisme, etc..

En ville, satisfaire l'ensemble de ces contraintes est généralement impossible, ce qui conduit à choisir des sites quelques fois discutables comme les toits d'immeubles. Il n'existe malheureusement pas d'analyse précise des erreurs de mesures commises dans ce genre de situation.


photo à mettre

La maintenance

La maintenance d'un pluviomètre nécessite des visites régulières au site d'implantation de l'appareil permettant :

  • la vérification des différentes parties mécaniques, électriques et électroniques du capteur,
  • un essai de fonctionnement par injection d'un débit calibré,
  • la collecte des données éventuellement archivées sur place,
  • le contrôle du cumul d'eau recueilli entre deux visites.

La centralisation des données en temps réel par télétransmission ne remplace pas ce type de visite car la détection des pannes par analyse des mesures est très aléatoire. La fréquence de visite au site est un paramètre déterminant du coût de maintenance d'un pluviomètre.

Voir aussi :B.02 - Pluie : observations de précipitation ponctuelles au sol.

Bibliographie :

  • Chocat, B. (coord.) et Association Eurydice (1997) : Encyclopédie de l’hydrologie urbaine et de l’assainissement ; éditions Tec et Doc ; Lavoisier ; Paris.
  • Dettwiller, J. (1980) : Un météorologiste oublié ; La Météor., VI ; pp 99-111.
  • GRAIE (2009) : Fiche Technique n°3 : Mesurage de la pluie par des pluviomètres ; disponible sur : http://www.graie.org/graie/graiedoc/reseaux/autosurv/FT3_pluviov3.pdf.
  • Lavabre, J. (1988) : Métrologie des pluies : précision des mesures pluviographiques ; Journée de la Société Hydrotechnique de France, 24 mars 1988 ; Paris.
  • Leroy, M., Lèches, G. (2014) : Note technique N° 35B ; Classification d’un site ; DSO ; Météo France. Disponible sur http://ccrom.meteo.fr/ccrom/IMG/pdf/NT035B_V_Nov_2014-3.pdf.
  • L'Hote, Y. (1991) : Historique de la mesure des pluies ; In : Les données pluviométriques anciennes, Meteo-France/SETIM ; Paris ; pp 9-12.
  • Rodda, J.C (1967) : The rainfall measurement problem ; Proceedings of the Geochemistry, Precipitation, Evaporation, Soil-moisture, Hydrometry, Bern, CH ; In : AIHS ; pp. 215-231.


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