Hydrometry — Slope-area method

This document specifies a method of determining discharge in open channels from observations of the surface slope and cross-sectional area of the channel. It is applicable to use under special conditions when direct measurement of discharge by typically more accurate methods, such as the velocity-area method, is not possible. Generally, the method can be used to determine discharge a) for a peak flow that left high-water marks along the stream banks, b) for a peak flow that left marks on a series of water-level gauges or where peak stages were recorded by that series of gauges, and c) for flow observed at the time of determining gauge heights from a series of gauges. The method is commonly used to undertake the extension of stage?discharge relationships above the highest gauged flows. It does not apply to determining discharges in tidal reaches.

Hydrometrie — Methode de la pente de la ligne d'eau

Le présent document décrit une méthode d'estimation du débit pour les écoulements à surface libre à partir d'observations de la pente de la ligne d'eau et d'observations de la surface mouillée du chenal. Elle s'applique dans des conditions particulières, lorsque le calcul direct du débit par des méthodes plus précises, comme celle de l'exploration du champ des vitesses, n'est pas possible. Cette méthode peut être utilisée pour estimer le débit: a) d'une pointe de crue ayant déposé des laisses de crue le long des rives du cours d'eau; b) d'une pointe de crue ayant déposé des laisses de crue sur une série d'échelles limnimétriques ou si cette pointe de crue a été enregistrée par des limnigraphes associés; c) observé, simultanément, sur une série d'échelles limnimétriques. La méthode est généralement utilisée pour extrapoler les courbes de tarage vers le haut. Elle ne s'applique pas à la détermination des débits dans les zones de marée.

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Published
Publication Date
04-Nov-2018
Current Stage
6060 - International Standard published
Start Date
05-Nov-2018
Completion Date
05-Nov-2018
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ISO 1070:2018 - Hydrometry -- Slope-area method
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ISO 1070:2018 - Hydrometrie -- Methode de la pente de la ligne d'eau
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 1070
Third edition
2018-11
Hydrometry — Slope-area method
Hydrometrie — Methode de la pente de la ligne d'eau
Reference number
ISO 1070:2018(E)
ISO 2018
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 1070:2018(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2018

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Published in Switzerland
ii © ISO 2018 – All rights reserved
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 1070:2018(E)
Contents Page

Foreword ..........................................................................................................................................................................................................................................v

Introduction ................................................................................................................................................................................................................................vi

1 Scope ................................................................................................................................................................................................................................. 1

2 Normative references ...................................................................................................................................................................................... 1

3 Terms and definitions ..................................................................................................................................................................................... 1

4 Principle of the method of measurement ................................................................................................................................... 1

5 Selection and demarcation of site ...................................................................................................................................................... 3

5.1 Initial survey of site............................................................................................................................................................................. 3

5.2 Selection of site ....................................................................................................................................................................................... 3

5.3 Demarcation of site ............................................................................................................................................................................. 4

6 Measurement of slope ..................................................................................................................................................................................... 4

6.1 High-water marks ................................................................................................................................................................................. 4

6.2 Crest-stage gauges ............................................................................................................................................................................... 4

6.3 Pressure transmitters ....................................................................................................................................................................... 4

6.4 Reference gauge ..................................................................................................................................................................................... 4

7 Determination of slope .................................................................................................................................................................................. 5

8 Cross sections of a stream ........................................................................................................................................................................... 5

8.1 Number and location of cross sections .............................................................................................................................. 5

8.2 Measurement of cross-sectional profiles ......................................................................................................................... 5

9 Computation of discharge ........................................................................................................................................................................... 5

9.1 General ........................................................................................................................................................................................................... 5

9.2 Uniform cross sections ..................................................................................................................................................................... 6

9.2.1 General...................................................................................................................................................................................... 6

9.2.2 Determination of the mean cross-sectional area and mean wetted

perimeter of the reach ................................................................................................................................................ 6

9.2.3 Determination of hydraulic radius ................................................................................................................... 6

9.2.4 Determination of the mean velocity in the reach ................................................................................ 7

9.3 Non-uniform cross sections (2-cross-section formulation) ............................................................................. 8

9.3.1 General...................................................................................................................................................................................... 8

9.3.2 Computation of conveyance ................................................................................................................................... 8

9.3.3 Evaluation of the friction slope ........................................................................................................................... 9

9.4 Composite cross sections ............................................................................................................................................................11

9.5 Computation of discharge using three or more cross sections ..................................................................12

9.6 State of flow ............................................................................................................................................................................................13

10 Alternative methods to estimate conveyance ......................................................................................................................14

10.1 General ........................................................................................................................................................................................................14

10.2 Divided channel method ..............................................................................................................................................................14

10.3 Conveyance estimation system ..............................................................................................................................................14

11 Uncertainty in flow measurement ..................................................................................................................................................14

11.1 Definition of uncertainty .............................................................................................................................................................14

11.2 Sources of uncertainty for a uniform reach ................................................................................................................15

11.2.1 General considerations ............................................................................................................................................15

11.2.2 Uncertainty of the mean cross-sectional area .....................................................................................15

11.2.3 Uncertainty in the calculation of the mean wetted perimeter ..............................................15

11.2.4 Uncertainties in determination of the friction slope .....................................................................16

11.2.5 Uncertainty due to the choice of the rugosity coefficient ..........................................................16

11.2.6 Overall uncertainty in the measurement of discharge .................................................................16

Annex A (informative) Approximate value of coefficients n and C for open channels ...................................17

Annex B (informative) Approximate value of Strickler-coefficients k for natural streams ..................20

© ISO 2018 – All rights reserved iii
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ISO 1070:2018(E)

Annex C (informative) US Soil Conservation Service method of estimating Manning’s n ...........................22

Annex D (informative) Conveyance estimation system ..................................................................................................................24

Bibliography .............................................................................................................................................................................................................................26

iv © ISO 2018 – All rights reserved
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ISO 1070:2018(E)
Foreword

ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards

bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out

through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical

committee has been established has the right to be represented on that committee. International

organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.

ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of

electrotechnical standardization.

The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are

described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the

different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the

editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/directives).

Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of

patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of

any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or

on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/patents).

Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not

constitute an endorsement.

For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and

expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO’s adherence to the

World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT) see www .iso

.org/iso/foreword .html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 113, Hydrometry.

This third edition cancels and replaces the second edition (ISO 1070:1992), which has been technically

revised. It also incorporates the amendment ISO 1070:1992/Amd.1:1997. The main changes compared

to the previous edition are as follows:

— the document has been reorganized to first present two-section computations followed by multiple

reach computations;
— a third governing formula has been added;
— three annexes have been added.

Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A

complete listing of these bodies can be found at www .iso .org/members .html.
© ISO 2018 – All rights reserved v
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ISO 1070:2018(E)
Introduction

The slope–area method is an indirect method of determining discharge in open channels when direct

measurement of the flow is not possible because of the timing of the flow or because the site is too

hazardous for direct measurement techniques. The method is usually used to document the discharge

of a flood and to extend the stage–discharge rating of a stream flow gauging station above direct

measurements of discharge. The method can also be used at locations where bridge, cableway or boat

measurements are not possible. Water discharge is computed using flow resistance formulae based on

channel characteristics, water-surface profiles, and a roughness or friction coefficient.

vi © ISO 2018 – All rights reserved
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 1070:2018(E)
Hydrometry — Slope-area method
1 Scope

This document specifies a method of determining discharge in open channels from observations of the

surface slope and cross-sectional area of the channel.

It is applicable to use under special conditions when direct measurement of discharge by typically more

accurate methods, such as the velocity-area method, is not possible. Generally, the method can be used

to determine discharge
a) for a peak flow that left high-water marks along the stream banks,

b) for a peak flow that left marks on a series of water-level gauges or where peak stages were recorded

by that series of gauges, and

c) for flow observed at the time of determining gauge heights from a series of gauges.

The method is commonly used to undertake the extension of stage–discharge relationships above the

highest gauged flows.
It does not apply to determining discharges in tidal reaches.
2 Normative references

The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content

constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For

undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.

ISO 772, Hydrometry — Vocabulary and symbols
ISO 4373, Hydrometry — Water level measuring devices
3 Terms and definitions

For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 772 apply.

ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:

— ISO Online browsing platform: available at https: //www .iso .org/obp
— IEC Electropedia: available at http: //www .electropedia .org/
4 Principle of the method of measurement

A measuring reach is chosen for which the mean area of the stream or river cross section is determined,

and the surface slope of the flowing water in that reach is measured. The mean velocity is then

established using known empirical formulae that relate the velocity to the hydraulic radius. The surface

slope is corrected to account for the kinetic energy of the flowing water and the characteristics of the

bed and bed material. The discharge is computed as the product of the mean velocity and the mean area

of the stream cross section.

Hydraulic assumptions of the method limit its suitability for use in very large channels with very flat

surface slopes, steep mountainous channels where free fall over riffles and boulders occurs, or channels

© ISO 2018 – All rights reserved 1
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ISO 1070:2018(E)

having significant curvature. Such conditions require experienced judgement to determine whether the

method is applicable.

The most common governing formulae for flow resistance are the Manning and Chezy formulae. The

Manning formula is shown by Formula (1):
Q= S (1)
where
Q is the discharge, in cubic metres per second;
A is the cross-sectional area, in square metres;
R is the hydraulic radius, in metres;
S is the friction slope;
n is the channel roughness, in seconds per metres to the one-third power.
The Chezy formula is shown by Formula (2):
2 2
QC= AR S (2)

where C is the Chezy form of roughness, in metres to the one-half power per second.

NOTE Manning n and Chezy C values of roughness for various open channel conditions are given in Annex A.

The Strickler coefficient, K , is the reciprocal of n and it is used in some countries (see Annex B).

Another flow resistance formula is the Darcy-Weisbach (Colebrook-White) formula, which is a

theoretically based formula commonly used in the analysis of pressure pipe systems. It applies equally

well to any fluid flow rate and is general enough to be applied to open-channel flows. Although it has not

been widely used (because the solution to the formula is difficult), it is gaining more acceptance because

it successfully models the variability of effective channel roughness with respect to channel material,

geometry and velocity. The Darcy-Weisbach (Colebrook-White) formula is shown by Formula (3):

1 1
8g 2
Q = AR S (3)
 
 
where
f is the Darcy-Weisbach friction factor;
g is the acceleration due to gravity, in metres per second squared.

The Darcy-Weisbach friction factor, f, can be determined using the Colebrook-White formula for fully

developed turbulent flow, as shown by Formula (4):
 
1 k 25, 2
=+−log   (4)
 
14,83R
f Rf
 
where
2 © ISO 2018 – All rights reserved
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ISO 1070:2018(E)
k is roughness height, in metres;
R is the Reynolds number.

Since the Darcy-Weisbach friction factor is on each side of the formula, an iterative computation

algorithm is required to solve for f.

The three formulae and associated friction coefficients are employed best in streams or rivers with

a uniform or slightly constricting reach in which the cross-sectional profile and bed material are

consistent throughout the reach. The use of this method in non-uniform reaches, composite cross

sections (a main channel and one or more overflow sections), and/or changes in channel geometry and

roughness factors will introduce additional uncertainty in the computations.
5 Selection and demarcation of site
5.1 Initial survey of site

It is recommended that approximate measurements of widths, depths and surface slopes be made in a

preliminary survey to decide whether the site is suitable and conforms (to the extent possible) with the

conditions specified in 5.2 and 5.3. Interviews with witnesses, if any, should be done to get information

about the flood timing, flow paths, high water levels, and possible bed changes during the event, and to

ascertain the availability of photographs or videos of the flood event.
5.2 Selection of site

Ideally, the river reach should be straight, and should contain no large curvatures or meanders. There

should not be any abrupt change in the bed slope in the measuring reach, as can occur in steep, rocky

channels. The cross section should be as uniform as possible or slightly constricting throughout the

reach and free from obstructions. Preferably, vegetation should be minimal and distributed uniformly

throughout the reach. Ideal reach conditions are rare, so a reach with the best combination of desirable

characteristics should be chosen.

Good high-water mark definition is essential to the slope–area method. The presence and quality of

high-water marks are therefore key factors in selecting the measurement site.
The bed material should be similar in nature throughout the reach.

Wherever possible, the length of the reach should be such that the difference between the water levels

at the upstream and downstream ends of the reach is at least 0,25 m.

Flow in the reach should be free from significant tributary inflows (or distributary outflows), and from

disturbances in the high-water profile caused by any tributaries or distributaries.

The flow in the channel should be contained within defined boundaries. If possible, reaches in which

over-bank flow conditions exist should not be selected. Where this is unavoidable, however, a reach in

which there are no very shallow flows over the floodplain should be sought. This will require additional

computations for determining the discharge.

The site should not be subject to change in the flow regime from subcritical to supercritical or from

supercritical to subcritical.

While a uniform reach is ideal, a converging reach should be selected in preference to an expanding

reach. The energy losses induced by large expansions over the entire reach cannot be properly

accounted for, thus reaches with large or rapid expansions should not be selected (see 9.3.3).

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ISO 1070:2018(E)
5.3 Demarcation of site

If the site is used for periodic slope–area measurements or continuous measurement of high flows,

permanent cross sections normal to the direction of flow shall be chosen and markers (clearly visible

and identifiable) shall be placed on both banks.

The site should be monitored to identify and assess any physical changes to the cross sections or reach

that occur over time.
6 Measurement of slope
6.1 High-water marks

The slope–area method is most often used to document a flood or very high flow event. The friction

slope defined in the flow resistance formulae is approximated by surveying high-water marks on both

banks within the measuring reach to determine the change in water surface elevation, determining

the velocity heads at each section, and evaluating the loss due to contraction or expansion. The high-

water marks should extend upstream of the most upstream cross section and downstream of the most

downstream cross section. The high-water marks may consist of drift on banks, wash lines, seed lines

on trees, mud lines, and drift in bushes or trees. Each high-water mark should be rated as excellent,

good, fair or poor, which will help with interpreting the high-water profile and slope. Mud lines and

seed lines on tree trunks or structures typically are excellent high-water marks. Drift and wash lines

are usually good, fair or poor depending on the tendency of the stream bank vegetation to bounce back

from the forces exerted on it by the flowing water. Care should be exercised in using high-water marks

on trees and other obstacles in high-velocity areas because they may be more representative of the

total energy than the water level, which will reduce the accuracy of the computed discharge.

The high-water marks should be surveyed as soon as possible after the flood. If this is not practical, the

marks should be preserved with paint, nails, flagging or labels until the survey can be done.

6.2 Crest-stage gauges

If the site is to be used for periodic measurement of high flows, a series of crest-stage gauges installed

on each side of the reach can be used to determine the high-water profile and slope. There should be

at least one crest-stage gauge at the left and right bank of each cross section; cross-section locations

should reflect known hydraulic changes in the measurement reach (observed slope breaks in the high-

water profile, for example). The crest-stage gauges should conform to ISO 4373.
6.3 Pressure transmitters

If the site is to be used for periodic measurement of high flow or continuous measurement of flood

hydrographs, a series of recording gauges installed on each side of the reach can be used to determine

the high-water profile and slope; as noted in 6.2, cross-section locations should reflect any known

hydraulic changes in the measurement reach. The recording devices can be individual water-level

recording gauges, or a series of pressure transmitters connected to a single data logger or recorder.

6.4 Reference gauge

The water levels determined by surveying high-water marks or from crest-stage or recording gauges

should be referenced to national or local datum by precise levelling to the nearest benchmark. If the

site is maintained as a stage–discharge gauging station, the water levels should be surveyed to the

reference gauge whether it is a vertical staff gauge or inclined gauge. The reference gauge shall conform

to ISO 4373 and be securely fixed to an immovable, rigid support in the stream or river.

4 © ISO 2018 – All rights reserved
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ISO 1070:2018(E)
7 Determination of slope

The high-water profile or surface slope is usually determined from a plot of high-water marks from

both river banks. The average of the intersections of the lines of best fit of the high-water marks on

both banks with the cross sections represent the water levels at each cross section. Each high-water

mark will be defined by its position and quality rating on a graphical plot of water level versus distance,

as measured along the stream thalweg or centre line of conveyance through the reach.

Alternatively, the water levels can be the difference in the average of the left and right bank crest-stage

gauge measurements at the upstream and downstream cross sections of the measuring reach.

A large number of high mark levels, even if apparently redundant and not located in the considered

cross sections, will help to identify and discount inconsistent flood marks and confirm uniformity of

the flow regime along the reach.
8 Cross sections of a stream
8.1 Number and location of cross sections

A minimum of three cross sections in the selected measuring reach generally is desirable; five or

more cross sections can provide insight into and reduce the uncertainty of the computed discharge.

Cross sections shall be clearly marked on the banks by means of masonry pillars or easily identifiable

markers. The cross sections shall be numbered so that the cross section furthest upstream is identified

as section 1, the adjacent cross section downstream is identified as section 2, and so on.

Cross-section locations should be determined based on plotted high-water profiles (see Clause 7),

with cross sections located at any major slope breaks in the high-water profiles. This approach

ensures conveyance varies uniformly between cross sections, which is an assumption of the slope–

area method. In addition to this criterion, cross-section spacing should be consistent with the length

of the measurement reach and number of cross sections used. Each cross section should be oriented

[4]
perpendicular to the direction of flow .
8.2 Measurement of cross-sectional profiles

The profile of each of the cross sections selected shall be measured at the same time at which the

gauge observations are made, or as close as possible to this time. It is often impossible to measure

(by sounding) the cross section during flood and therefore an error may be introduced in the flow

determination owing to an unobserved and temporary change in a cross section. If the section is stable,

however, it will be sufficient to measure the cross sections before and after a flood.

9 Computation of discharge
9.1 General

Discharge calculations are presented for three types of stream reaches. The first case is for reaches

with uniform cross-section geometry and roughness. In this case, the water surface slope (S ) is

virtually equivalent to the friction slope (S) because the velocity head throughout the reach is constant.

The more complex cases are reaches that have converging or slightly diverging cross-sectional areas,

and reaches that have composite cross sections consisting of a main channel section and one or two

floodplain sections.
© ISO 2018 – All rights reserved 5
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ISO 1070:2018(E)
9.2 Uniform cross sections
9.2.1 General

The discharge of a stream for which the cross sections are uniform (both for geometry and roughness)

is the product of the mean cross-sectional area and the mean velocity of flow in the reach, as shown by

Formula (5):
Qv= A (5)
1−m
where v is the mean velocity in the reach between section 1 and section m.
1−m

9.2.2 Determination of the mean cross-sectional area and mean wetted perimeter of the reach

In natural streams, it is very difficult to find a reach that has a uniform cross section throughout its

length. However, if the reach is uniform with only small differences in the cross-sectional areas A , A ,

1 2

…, A , the mean cross-sectional area of the reach may be taken as shown by Formula (6):

AA++22...++AA
12 mm−1
A= (6)
21()m−
where m is the number of cross sections chosen.

The corresponding wetted perimeters shall then be determined and the mean wetted perimeter, P may

then be calculated as shown by Formula (7):
PP++22...++PP
12 mm−1
P = (7)
21()m−
9.2.3 Determination of hydraulic radius
The hydraulic radius, R, at any section is
...

NORME ISO
INTERNATIONALE 1070
Troisième édition
2018-11
Hydrometrie — Methode de la pente
de la ligne d'eau
Hydrometry — Slope-area method
Numéro de référence
ISO 1070:2018(F)
ISO 2018
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 1070:2018(F)
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Publié en Suisse
ii © ISO 2018 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 1070:2018(F)
Sommaire Page

Avant-propos ................................................................................................................................................................................................................................v

Introduction ................................................................................................................................................................................................................................vi

1 Domaine d'application ................................................................................................................................................................................... 1

2 Références normatives ................................................................................................................................................................................... 1

3 Termes et définitions ....................................................................................................................................................................................... 1

4 Principe de la méthode de mesurage .............................................................................................................................................. 1

5 Choix et délimitation du bief de mesure ...................................................................................................................................... 3

5.1 Reconnaissance préalable du bief .......................................................................................................................................... 3

5.2 Choix du bief.............................................................................................................................................................................................. 3

5.3 Délimitation du bief ............................................................................................................................................................................ 4

6 Mesurage de la pente ....................................................................................................................................................................................... 4

6.1 Laisses de crue ........................................................................................................................................................................................ 4

6.2 Échelles à maximum ........................................................................................................................................................................... 4

6.3 Capteurs de pression ......................................................................................................................................................................... 5

6.4 Échelle limnimétrique de référence ..................................................................................................................................... 5

7 Détermination de la pente ......................................................................................................................................................................... 5

8 Sections mouillées du cours d'eau ..................................................................................................................................................... 5

8.1 Nombre et emplacement des sections mouillées ...................................................................................................... 5

8.2 Mesurage des profils des sections mouillées ................................................................................................................ 5

9 Calcul du débit ........................................................................................................................................................................................................ 6

9.1 Généralités .................................................................................................................................................................................................. 6

9.2 Sections mouillées uniformes .................................................................................................................................................... 6

9.2.1 Généralités ............................................................................................................................................................................ 6

9.2.2 Détermination de la surface mouillée moyenne et du périmètre mouillé

moyen du bief ..................................................................................................................................................................... 6

9.2.3 Détermination du rayon hydraulique ............................................................................................................ 6

9.2.4 Détermination de la vitesse moyenne dans le bief ............................................................................. 7

9.3 Sections mouillées non uniformes (formulation sur deux sections transversales) .................... 8

9.3.1 Généralités ............................................................................................................................................................................ 8

9.3.2 Calcul de la débitance .................................................................................................................................................. 8

9.3.3 Évaluation de la pente de la ligne de charge ............................................................................................ 9

9.4 Sections mouillées composites ..............................................................................................................................................11

9.5 Calcul du débit à l'aide de trois sections mouillées ou plus ..........................................................................12

9.6 Régime d'écoulement .....................................................................................................................................................................14

10 Autres méthodes d'estimation de la débitance .................................................................................................................14

10.1 Généralités ...............................................................................................................................................................................................14

10.2 Méthode du chenal divisé ...........................................................................................................................................................14

10.3 Logiciel d'estimation de la débitance ...............................................................................................................................14

11 Incertitude de mesure du débit .........................................................................................................................................................15

11.1 Définition de l'incertitude ..........................................................................................................................................................15

11.2 Sources d'incertitude pour un bief uniforme ............................................................................................................15

11.2.1 Considérations générales ......................................................................................................................................15

11.2.2 Incertitude de la surface mouillée moyenne ........................................................................................15

11.2.3 Incertitude de calcul du périmètre mouillé moyen ........................................................................16

11.2.4 Incertitudes de détermination de la pente de la ligne de charge ........................................16

11.2.5 Incertitude due au choix du coefficient de rugosité .......................................................................16

11.2.6 Incertitude globale de mesure du débit ....................................................................................................17

Annexe A (informative) Valeur approximative des coefficients n et C pour les écoulements à

surface libre ............................................................................................................................................................................................................18

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ISO 1070:2018(F)

Annexe B (informative) Valeur approximative des coefficients de Strickler k dans les

cours d'eau naturels ......................................................................................................................................................................................21

Annexe C (informative) Méthode d'estimation du coefficient de Manning n du Service

américain de conservation du sol ....................................................................................................................................................23

Annexe D (informative) Logiciel d'estimation de la débitance ..............................................................................................25

Bibliographie ...........................................................................................................................................................................................................................27

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ISO 1070:2018(F)
Avant-propos

L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes

nationaux de normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est

en général confiée aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude

a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,

gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux.

L'ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui

concerne la normalisation électrotechnique.

Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont

décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents

critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été

rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www

.iso .org/directives).

L'attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de

droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable

de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant

les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de

l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de

brevets reçues par l'ISO (voir www .iso .org/brevets).

Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données

pour information, par souci de commodité, à l'intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un

engagement.

Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions

spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion

de l'ISO aux principes de l'Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles

techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: www .iso .org/iso/fr/avant -propos.

Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 113, Hydrométrie.

Cette troisième édition annule et remplace la deuxième édition (ISO 1070:1992), qui a fait l'objet d'une

révision technique. Elle incorpore également l'amendement ISO 1070:1992/Amd.1:1997. Les principales

modifications par rapport à l'édition précédente sont les suivantes:

— réorganisation du document pour présenter d'abord les calculs en deux sections, suivis de plusieurs

calculs de biefs;
— ajout d'une troisième formule;
— ajout de trois annexes.

Il convient que l'utilisateur adresse tout retour d'information ou toute question concernant le présent

document à l'organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes

se trouve à l'adresse www .iso .org/fr/members .html.
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ISO 1070:2018(F)
Introduction

La méthode de la pente de la ligne d'eau est une méthode indirecte de détermination du débit dans les

écoulements à surface libre lorsque le calcul direct du débit est impossible en raison de la rapidité de

la crue ou parce que le site est trop dangereux pour les techniques de mesurage direct. La méthode

est habituellement utilisée pour documenter le débit d'une crue et pour concourir à l'extrapolation

de la courbe de tarage d'une station hydrométrique. La méthode peut également être utilisée sur les

sites où il est impossible d'effectuer des mesurages: depuis un pont, à partir d'un téléphérique ou d'une

embarcation. Le débit est calculé en utilisant des formules de résistance à l'écoulement reposant sur

les caractéristiques des chenaux, le profil de la ligne d'eau et un coefficient de rugosité ou un facteur de

frottement.
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NORME INTERNATIONALE ISO 1070:2018(F)
Hydrometrie — Methode de la pente de la ligne d'eau
1 Domaine d'application

Le présent document décrit une méthode d'estimation du débit pour les écoulements à surface libre à

partir d'observations de la pente de la ligne d'eau et d’observations de la surface mouillée du chenal.

Elle s'applique dans des conditions particulières, lorsque le calcul direct du débit par des méthodes plus

précises, comme celle de l'exploration du champ des vitesses, n'est pas possible. Cette méthode peut

être utilisée pour estimer le débit:

a) d'une pointe de crue ayant déposé des laisses de crue le long des rives du cours d'eau;

b) d'une pointe de crue ayant déposé des laisses de crue sur une série d'échelles limnimétriques ou si

cette pointe de crue a été enregistrée par des limnigraphes associés;
c) observé, simultanément, sur une série d'échelles limnimétriques.

La méthode est généralement utilisée pour extrapoler les courbes de tarage vers le haut.

Elle ne s'applique pas à la détermination des débits dans les zones de marée.
2 Références normatives

Les documents suivants cités dans le texte constituent, pour tout ou partie de leur contenu, des

exigences du présent document. Pour les références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les

références non datées, la dernière édition du document de référence s'applique (y compris les éventuels

amendements).
ISO 772, Hydrométrie — Vocabulaire et symboles
ISO 4373, Hydrométrie — Appareils de mesure du niveau de l'eau
3 Termes et définitions

Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO 772 s'appliquent.

L'ISO et l'IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en

normalisation, consultables aux adresses suivantes:

— ISO Online browsing platform: disponible à l'adresse http: //www .iso .org ./obp

— IEC Electropedia: disponible à l'adresse http: //www .electropedia .org/
4 Principe de la méthode de mesurage

Choisir un bief de mesure dans lequel seront déterminées la surface mouillée et la pente de la ligne

d'eau. Déterminer alors la vitesse moyenne grâce à des formules empiriques connues qui relient la

vitesse au rayon hydraulique. Corriger la pente de la ligne d'eau pour tenir compte de l'énergie cinétique

de l'écoulement et des caractéristiques et matériaux du lit. Calculer ensuite le débit comme le produit de

la vitesse moyenne par la surface mouillée.

Les hypothèses hydrauliques de la méthode ne sont pas applicables aux chenaux très larges à très

faible pente, aux chenaux de montagne escarpés à lit rocheux avec chutes d'eau ou rapides, ou bien aux

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chenaux ayant des courbures significatives. Ces conditions exigent un jugement averti pour déterminer

si la méthode est applicable.

Les principales formules relatives à la résistance à l'écoulement sont les formules de Manning et de

Chézy. La formule de Manning est donnée dans la Formule (1):
Q= S (1)
Q est le débit, en mètres cubes par seconde;
A est la surface mouillée, en mètres carrés;
R est le rayon hydraulique, en mètres;
S est la pente de la ligne de charge;
1/3
n est la rugosité du chenal, en s. m .
La formule de Chézy est donnée dans la Formule (2):
2 2
QC= AR S (2)
1/2 −1
où C est le coefficient de rugosité de Chézy, en m s

NOTE Les valeurs de rugosité de Manning n et de Chézy C pour diverses conditions d'écoulement à surface

libre sont données dans l'Annexe A. Le coefficient de Strickler, K , est l'inverse de n, et est utilisé dans certains

pays (voir Annexe B).

Une autre formule de résistance à l'écoulement est la formule de Darcy-Weisbach (Colebrook-White),

basée sur une formule théorique, couramment utilisée pour les écoulements en charge. Elle s'applique

tout aussi bien à n'importe quel débit de liquide et suffit généralement pour les écoulements à surface

libre. Même si elle n'a pas été beaucoup utilisée (car la formule est difficile à résoudre), elle commence à

s'imposer car elle modélise fidèlement la variabilité de rugosité du chenal en fonction de sa géométrie,

de ses matériaux et des conditions d'écoulement. La formule de Darcy-Weisbach (Colebrook-White) est

donnée dans la Formule (3):
1 1
8g 2
Q = AR S (3)
 
 
f est le facteur de frottement de Darcy-Weisbach;
g est l'accélération due à la pesanteur, en m s .
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Le facteur de frottement de Darcy-Weisbach, f, peut être déterminé à l'aide de la formule de Colebrook-

White relative à l'écoulement turbulent pour les profils pleinement développés, selon la Formule (4):

 
1 k 25, 2
=+−log   (4)
 
14,83R
f Rf
 
k est la hauteur de rugosité, en mètres;
R est le nombre de Reynolds.

Étant donné que le facteur de frottement de Darcy-Weisbach apparaît de chaque côté de la formule, un

algorithme de calcul itératif est nécessaire pour déterminer f.

Les trois formules et les facteurs de frottement associés sont idéalement applicables dans les cours d'eau

ayant un bief uniforme ou légèrement rétréci dans lequel le profil de section mouillée et le matériau du

lit sont homogènes le long du bief. L'utilisation de cette méthode sur des biefs non uniformes et/ou avec

des sections mouillées composites (un chenal principal et une ou plusieurs sections de débordement)

présentant des modifications de la géométrie et des coefficients de rugosité du chenal introduira une

incertitude supplémentaire dans les calculs.
5 Choix et délimitation du bief de mesure
5.1 Reconnaissance préalable du bief

Il est recommandé de mesurer approximativement, au cours d'une reconnaissance préalable, les

largeurs et les profondeurs du bief ainsi que les pentes de ligne d'eau, de manière à vérifier que le bief

choisi répond aussi bien que possible aux conditions indiquées en 5.2 et 5.3. Il convient d'effectuer, le

cas échéant, des entretiens avec des témoins, pour obtenir des informations sur la durée de la crue,

les chemins d'écoulements, les niveaux des hautes eaux, et les éventuelles modifications du lit pendant

l'événement, et d'estimer la disponibilité des photographies ou vidéos de la crue.

5.2 Choix du bief

Autant que possible, il convient que le bief soit rectiligne uniforme et ne contienne ni courbures

significatives ni méandres. Il convient que le lit ne présente pas, dans le bief de mesure, des changements

de pente abrupts comme cela peut se produire dans les chenaux escarpés à lit rocheux. Il convient que

la section mouillée soit aussi uniforme que possible ou légèrement rétrécie le long du bief et qu'elle

ne présente aucune obstruction. Il convient que la végétation soit réduite au minimum et répartie

uniformément le long du bief. Étant donné qu'il est rare d'avoir des conditions idéales pour le bief, il

convient d'en choisir un présentant la meilleure combinaison de caractéristiques souhaitables.

Il est essentiel de choisir correctement les laisses de crue pour la méthode de la pente de la ligne d'eau.

La présence et la qualité des laisses de crue sont donc des facteurs clés dans le choix du bief de mesure.

Il convient que le matériau du lit soit de nature similaire tout le long du bief.

Partout où cela est possible, il convient que la longueur du bief soit telle que la différence entre les

niveaux d'eau aux extrémités amont et aval du bief soit au moins de 0,25 m.

Il convient que le bief soit exempt d'affluents et de défluents ou que ceux-ci ne perturbent pas le profil

des hautes eaux.

Il convient que l'écoulement dans le chenal reste dans des limites déterminées. Dans la mesure du

possible, il convient d'éviter les biefs où existent des écoulements dans le lit majeur. Toutefois, si cela

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est inévitable, il convient d'éviter les biefs dans lesquels la plaine inondable est propice aux écoulements

trop peu profonds. Des calculs supplémentaires seront nécessaires pour déterminer le débit.

Il convient que le bief ne subisse pas de transitions du régime fluvial au régime torrentiel ou inversement.

Si un bief uniforme est idéal, il convient de choisir un bief convergent plutôt qu'un bief présentant

des élargissements. Les pertes d'énergie induites par d'importants élargissements sur tout le bief ne

pouvant pas être correctement prises en compte, il convient de ne pas choisir les biefs présentant des

élargissements importants ou rapides (voir 9.3.3).
5.3 Délimitation du bief

Si le bief est utilisé pour des mesurages périodiques de la pente de la ligne d'eau ou pour un mesurage

en continu des débits de crue, des sections transversales permanentes perpendiculaires à la direction

d'écoulement doivent être choisies et des marques (clairement visibles et identifiables) doivent être

placées sur les deux rives.

Il convient de surveiller le bief pour identifier et évaluer tout changement physique des sections

mouillées ou du bief au fil du temps.
6 Mesurage de la pente
6.1 Laisses de crue

La méthode de la pente de la ligne d'eau est principalement utilisée pour documenter une crue ou un

événement à débit très élevé. La pente de la ligne de charge définie dans les formules de résistance à

l'écoulement est approchée en étudiant les laisses de crue sur les deux rives le long du bief de mesure,

en déterminant le changement de hauteur de la ligne d'eau, en déterminant les hauteurs dynamiques

dans chaque section et en évaluant la perte due au rétrécissement ou à l'élargissement. Il convient que

les laisses de crue s'étendent en amont de la section mouillée la plus en amont et en aval de la section

mouillée la plus en aval. Les laisses de crue peuvent comprendre les éboulis des rives, les lignes de

décapage, l'arrachement de végétation sur les arbres, les traces de boue, l'échouage d'arbres ou de

buissons. Il convient que chaque laisse de crue soit notée comme suit: excellente, bonne, assez bonne

ou médiocre. Cette information sera utile pour interpréter le profil et la pente de la ligne des hautes

eaux. Les traces de boue et les arrachements de végétation sur les troncs d'arbre ou les structures sont

généralement d'excellentes laisses de crue. Les éboulis et les lignes de décapage indiquent une laisse

de crue bonne, assez bonne ou médiocre, selon la tendance de la végétation des rives du cours d'eau à

se remettre des forces exercées par le courant. Il convient d'être prudent lors du choix des laisses de

crue sur les arbres et autres obstacles situés dans des zones à haute vitesse, car ils peuvent être plus

représentatifs de l'énergie totale que du niveau d'eau, ce qui réduira l'exactitude du débit calculé.

Il convient d'étudier les laisses de crue dès que possible après la crue. Si cela n'est pas possible, il

convient de marquer les laisses avec de la peinture, des clous, un balisage ou des étiquettes jusqu'à ce

que les levés topographiques puissent être effectués.
6.2 Échelles à maximum

Si le bief est destiné au mesurage périodique des débits de crue, une série d'échelles à maximum

installées sur chaque côté du bief peut être utilisée pour déterminer le profil et la pente de la ligne

des hautes eaux. Il convient qu'il y ait au moins une échelle à maximum sur la rive gauche et sur la rive

droite de chaque section mouillée; il convient que les emplacements des sections mouillées reflètent des

changements hydrauliques connus dans le bief de mesure (ruptures de pente observées dans le profil

de la ligne des hautes eaux, par exemple). Il convient que les échelles à maximum soient conformes à

l'ISO 4373.
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ISO 1070:2018(F)
6.3 Capteurs de pression

Si le bief est destiné au mesurage périodique des débits de crue ou au mesurage en continu des

hydrogrammes de crue, une série de limnigraphes installés de chaque côté du bief peut être utilisée

pour déterminer le profil et la pente de la ligne des hautes eaux. Comme indiqué en 6.2, il convient que

les emplacements des sections mouillées reflètent des changements hydrauliques connus dans le bief

de mesure. Les dispositifs d'enregistrement peuvent être des limnigraphes individuels ou une série de

capteurs de pression raccordés à un seul enregistreur de données.
6.4 Échelle limnimétrique de référence

Il convient de référencer les niveaux d'eau établis par des laisses de crue (soit par des échelles à

maximum soit enregistrés par des limnigraphes) dans le système de nivellement national ou local par

un levé de nivellement précis à partir du repère le plus proche. Si le site de mesure est une station de

jaugeage, alors il convient de rattacher les niveaux à l'échelle de référence de la station, que celle-ci soit

verticale ou inclinée. L'échelle limnimétrique de référence doit être conforme à l'ISO 4373 et doit être

solidement fixée, dans le cours d'eau, à un support stable et rigide.
7 Détermination de la pente

Le profil ou la pente de la ligne des hautes eaux est généralement déterminé(e) à partir d'un relevé

des laisses de crue sur les deux rives de la rivière. Les niveaux d'eau dans les sections mouillées sont

déterminés par l'intersection de ces sections mouillées avec la ligne d'eau. Chaque laisse de crue sera

définie par sa position et un critère de qualité, le tout indiqué sur un relevé graphique du niveau d'eau

en fonction de la distance mesurée le long du thalweg du cours d'eau ou de l'axe central de l'écoulement.

La dénivelée peut aussi être déterminée par l'écart entre les niveaux d'eau amont et aval. Ces niveaux

d'eau sont déterminés par la moyenne des niveaux de laisses rive gauche et rive droite, dans la section

la plus en aval et la section la plus en amont.

Plusieurs laisses de crue, même d'apparences redondantes et non situées dans les sections mouillées

étudiées, peuvent permettre d'identifier et d'écarter les laisses de crue incohérentes et de confirmer

l'uniformité du régime d'écoulement le long du bief.
8 Sections mouillées du cours d'eau
8.1 Nombre et emplacement des sections mouillées

Il est généralement souhaitable de disposer d'au moins trois sections mouillées dans le bief de

mesure choisi; cinq ou plus de cinq sections mouillées peuvent fournir plus d'informations et réduire

l'incertitude du débit calculé. Les sections mouillées doivent être clairement marquées sur les rives à

l'aide de piliers de maçonnerie ou de marques facilement identifiables. Les sections mouillées doivent

être numérotées comme suit: 1 pour la section mouillée la plus en amont, 2 pour la section mouillée

adjacente suivante, etc.
Il convient de choisir les emplacements des sections
...

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