ISO 4359:1983
(Main)Liquid flow measurement in open channels — Rectangular, trapezoidal and U-shaped flumes
Liquid flow measurement in open channels — Rectangular, trapezoidal and U-shaped flumes
Deals with the measurement of flow in rivers and artificial channels under steady or slowly varying flow conditions, using certain types of standing-wave (or critical depth) flumes. An annex gives the guidelines for the selection of weirs and flumes for the measurement of the discharge of water in open channels.
Mesure de débit des liquides dans les canaux découverts — Canaux jaugeurs à col rectangulaire, à col trapézoïdal et à col en U
La présente Norme internationale traite de la mesure de débit dans les rivières et canaux artificiels à régime permanent ou à variation lente, au moyen de certains types de canaux jaugeurs à ressaut. Un grand nombre de canaux jaugeurs a été mis au point, mais la présente Norme internationale ne considère que ceux qui jouissent d'une reconnaissance unanime s'appuyant sur des travaux de recherche adéquats et des essais in situ, et n'ont par conséquent pas besoin d'être étalonnés sur place. Trois types de canaux jaugeurs couvrant une grande gamme d'utilisations sont recommandés, à savoir : a) les canaux jaugeurs à col rectangulaire ; b) les canaux jaugeurs à col trapézoïdal ; c) les canaux jaugeurs à col en U, c'est-à-dire à fond arrondi . Les conditions d'écoulement considérées ne dépendent que de la hauteur de charge amont ; il faut donc qu'il existe un écoulement tranquille (régime fluvial) en amont du can
General Information
Relations
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Standards Content (Sample)
International Standard
INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION.MEIK,lJYHAPO,qHAFl OPI-AHM3Al@l~ fl0 CTAHL\APTM3AL&WWORGANlSATlON INTERNATIONALE DE NORMALISATION
Liquid flow measurement in open channels -
Rectangular, trapezoidal and U-shaped flumes
Mesure de debit des liquides dans les canaux dkowverts - Canaux jaugeurs 2 col rectangulaire, A col trapezoidal et 2 col en U
First edition - 1983-07-01
Ref. No. ISO 43594983 (E)
13 U DC 532.532.8
-
Descriptors : liquid flow, water flow, open channel flow, flow measurement, flowmeters, Venturi tubes.
z
- Price based on 51 pages
---------------------- Page: 1 ----------------------
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of
national Standards bodies (ISO member bedies). The work of developing International
Standards is carried out through ISO technical committees. Every member body
interested in a subject for which a technical committee has been authorized 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.
Draft International Standards adopted by the technical committees are circulated to
the member bodies for approval before their acceptance as International Standards by
the ISO Council.
International Standard ISO 4359 was developed by Technical Committee ISO/TC 113,
Measurement of liquid flow in open channels, and was circulated to the member
bodies in November 1980.
lt has been approved by the member bodies of the following countries :
Australia Germany, F. R. Spain
China India Switzerland
Czechoslovakia I reland USA
Egypt, Arab Rep. of Italy
Netherlands
France
The member bodies of the following countries expressed disapproval of the document
on technical grounds :
Belgium
United Kingdom
0 International Organkation for Standardkation, 1983
Printed in Switzerland
ii
---------------------- Page: 2 ----------------------
Contents
Page
1
.........................................
Scope and field of application
1
References .
.............................................. 1
Definitions and Symbols
............................................... 1
Units of measurement
......................................... 1
Selection of the type of flume
2
Installation. .
2
...............................................
6.1 Selection of site
2
..........................................
6.2 Installation conditions
3
...............................................
6.3 Flume structure
........................................ 3
6.4 Downstream conditions
.................................. 3
Maintenance - General requirements
7
3
................................................
8 Measurementofhead
.......................................... 3
8.1 General requirements
4
...................................................
8.2 Gaugewell
4
8.3 Zerosetting .
4
...........................................
9 Determination of discharge
4
.................................
9.1 General equations for discharge
5
......................
9.2 Calculation of discharge from observed head
5
.......................
9.3 Calculation of stage-discharge relationships
6
.............................................
9.4 Approach velocity
.......................................... 6
Rectangular throated flume.
10
................................................... 6
10.1 Description
........................... 7
10.2 Location of head measurement section
...................................... 7
10.3 Provision for modular flow
......................................... 7
10.4 Evaluation of discharge
8
......................
10.5 Computation of stage-discharge relationship
........................................... 8
10.6 Limits of application
8
....................................
10.7 Uncertainty of measurement
. . .
Ill
---------------------- Page: 3 ----------------------
8
11 Trapezoidal throated flumes .
8
11.1 Description .
9
11.2 Location of head measurement section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
11.3 Provision for modular flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
11.4 Evaluation of discharge. .
......................
Computation of stage-discharge relationship 10
11.5
Graphical approach to design. . 11
11.6
........................................... 11
11.7 Limits of application
12
11.8 Uncertainty of measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
12 U-throated (round-bottomed) flumes .
12.1 Description . 12
........................... 12
12.2 Location of head measurement section
12
12.3 Provision for modular flow .
........................................ 13
12.4 Evaluation of discharge.
...................... 14
12.5 Computation of stage-discharge relationship
15
12.6 Limits of application .
15
12.7 Uncertainty of measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13 Errors in flow measurement . 15
...................................................... 15
13.1 General
15
13.2 Sources of error .
16
13.3 Kinds of error .
16
13.4 Errors in coefficient values .
Errors in measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
13.5
Combination of uncertainties to give Overall uncertainty on discharge . 17
13.6
Annexes
A Guide for the selection of weirs and flumes for the measurement
18
of the discharge of water in open channels .
20
B Symbols and units .
.
C Velocity distribution. .
D Computation of discharge using boundary layer theory . 23
............ 26
E Examples illustrating methods for the computation of discharge
F Example of the computation of the Overall uncertainty of discharge
measurement . 30
31
G Determination of height of hump - Rectangular throated flumes .
iv
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 43594983 (EI
INTERNATIONAL STANDARD
Liquid flow measurement in open channels -
Rectangular, trapezoidal and U-shaped flumes
3 Definitions and Symbols
1 Scope and fieid of application
This International Standard deals with the measurement of For the purpose of this International Standard, the definitions
flow in rivers and artificial channels under steady or slowly vary- given in ISO 772 apply. A full list of Symbols with the cor-
ing flow conditions, using certain types of standing-wave (or responding units of measurement, is given in annex B.
critical depth) flumes. A wide variety of flumes has been
designed but only those which have received general accep-
tance after adequate research and field testing, and which
4 Units of measurement
therefore do not require in-situ calibration are considered.
Three types of flumes, covering a wide range of applications
The units of measurement used in this International Standard
are recommended as follows :
are SI units.
a) Rectangular-throated (see figure 1).
b) Trapezoidal-throated (see figure 41.
5 Selection of the type of flume
c) U-throated, i.e. round-bottomed (sec figure 5).
5.1 The type of flume that should be used depends upon
several factors, such as the range of discharge to be measured,
The flow conditions considered are uniquely dependent on the
the accuracy required, the head available and whether or not
upstream head, i.e. subcritical flow must exist upstream of the
the flow carries Sediment.
flume, after which the flow accelerates through the contraction
and Passes through its critical depth, and the water level
beyond the structure is low enough to have no influence upon
5.2 The rectangular-throated flume is simpler to construct.
its performante.
To achieve proportionality, i.e. to avoid either ponding or draw-
down in the approach channel when the discharge is variable,
Annex A gives the guidelines for the selection of weirs and
Provision of a hump in the bed becomes necessary with
flumes for the measurement of the discharge of water in open
discharges bigger or smaller than the design discharge (sec
channels.
figure 2).
5.3 The trapezoidal-throated flume is more appropriate
2 References
where a wide range of discharge is to be measured with consis-
tent accuracy. This shape of throat is particularly suitable
ISO 748, Liquid flow measurement in open channels -
where it is necessary to work to a given stage-discharge
Velocity-area me thods.
relationship.
ISO 772, Liquid flow measurement in open channels -
Vocabulary and Symbols. 5.4 The U-throated flume is useful for installation in a
U-shaped channel or where discharge is from a circular-section
conduit. lt has found particular application in sewers and at
ISO 1438, Liquid flow measurement in open channels using
thin-pla te weirs and ven turi flumes. sewage works.
1
---------------------- Page: 5 ----------------------
ISO 4359-1983 (EI
6.2 Installation conditions
6 Installation
6.1 Selection of site General requirements
6.2.1
6.1.1 The flume shall be located in a straight section of chan-
6.2.1.1 The complete measuring installation shall consist of
nel, avoiding local obstructions, roughness or unevenness of
an approach channel, a flume structure and a downstream
the bed.
channel. The condition of each of these three components
affects the Overall accuracy of the measurements. Installation
requirements include such features as the surface finish of the
6.1.2 A preliminary study shall be made of the physical and
flume, the Cross-sectional shape of the channel, channel
hydraulic features of the proposed site, to check that it
roughness and the influence of control devices upstream or
conforms (or tan be constructed or modified so as to conform)
downstream of the gauging structure.
to the requirements necessary for measurement of discharge by
a flume. Particular attention should be paid to the following
features in selecting the site :
6.2.1.2 The distribution and direction of velocity may have an
important influence on the Performance of a flume (sec 6.2.2
of the length of channel of regular cross- and annex C).
a) The adequacy
section available.
6.2.1.3 Once a flume has been installed, any changes in the
existi ng velocity distribution (see
b) The uniformity of the
System which affect the basis of the design will Change the
annex CL
discharge characteristics.
Cl The avoidance of a steep channel (but see 6.2.2).
6.2.2 Approach channel
The effects of any increased upstream water levels due
d)
to the measuring structure.
6.2.2.1 If the flow in the approach channel is disturbed by
irregularities in the boundary, for example large boulders or
e) The conditions downstream (including such influences
rock outcrops, or by a bend, sluice gate or other feature which
as tides, confluences with other streams, sluice gates, mill
Causes asymmetry of discharge across the channel, the ac-
dams and other controlling features, including seasonal
curacy of gauging may be affected. The flow in the approach
weed growth, which might Cause drowning).
channel should have a symmetrical velocity distribution (see
annex C) and this tan most readily be achieved by providing a
f) The impermeability of the ground on which the struc-
long straight approach channel of uniform Cross-section.
ture is to be founded and the necessity for piling, grouting
or other means of controlling Seepage.
6.2.2.2 A length of approach channel five times the water-
g) The necessity fo r flood banks, to tonfine the maximu m
surface width at maximum flow will usually suffice, provided
discharge to the cha nnel.
flow does not enter the approach channel with high velocity via
a sharp bend or angled sluice gate. However, a greater length
The stability of the banks, and the necessity for trimm- of uniform approach channel is desirable if it tan be readily pro-
h)
ing and/or revetment. vided.
Uniformity of the section of the approach channel.
6.2.2.3 The length of uniform approach channel suggested
in 6.2.2.2 refers to the distance upstream of the head measur-
k) Effect of wind, which tan have a considerable effect on
ing Position. However, in a natura/ channel it would be
the flow over a river, weir or flume, especially when these
uneconomic to line the bed and banks with concrete for this
are wide and the head is small and when the prevailing wind
distance, and it would be necessary to provide a contraction in
is in a transverse direction.
plan if the width of the lined approach to the flume throat is less
than the width of the natura1 channel. The unlined channel
Aquatic weed growth.
m)
upstream of the contraction shall nevertheless comply with the
requirements of 6.2.2.1 and 6.2.2.2.
n) Sediment transportation.
6.2.2.4 Wing Walls to effect a contraction in plan shall be
6.1.3 If the site does not possess the characteristics necessary symmetrically disposed with respect to the centre line of the
for satisfactory measurements, or if an inspection of the stream channel and should preferably be curved with a radius not less
Shows that the velocity distribution in the approach channel than 2&,,,,,. The downstream tangent Point shall be at least
deviates appreciably from the examples shown in annex C, the H max upstream of the head measurement section, and the lined
site should not be used unless suitable improvements are prac- section of approach channel from the end of the curved wing
ticable. Alternatively, the Performance of the installation Walls to the entrance transition of the flume shall be of
should be checked by independent flow measurement. prismatic section.
2
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ISO 4359-1983 (El
h) On deviation from a plane of the plane sut-faces
6.2.2.5 In a channel where the flow is free from floating and in the
suspended debris, good approach conditions tan also be pro- entrance transition to the throat, 0,l % of L,.
vided by suitably placed baffles formed of vertical laths, but no
j) On deviation from a plane of the plane in the
baffle should be nearer to the Point at which head is measured surfaces
exit transition from the throat, 0,3 % of L.
than IOH,,,.
n other vertical or in clined surfaces, deviation from a
kl 0
6.2.2.6 Under certain conditions a hydraulic jump may occur
plane or curve, 1 % .
upstream of the measuring structure, for example if the
approach channel is steep. Provided the hydraulic jump is at a
On deviation lined
nd from a plane of the bed of the
distance upstream of not less than about 3OH,,,, flow
roach channel, 0,l % of L.
aPP
measurement will be feasible, subject to confirmation that an
even velocity distribution exists at the gauging section.
The structure shall be measured on completion, and average
values of relevant dimensions and their Standard deviations at
6.2.2.7 Conditions in the approach channel tan be verified by
95 % confidence Iimits computed. The former shall be used for
inspection or measurement for which several methods are
computation of discharge and the latter shall be used to obtain
available such as floats, velocity rods, or concentrations of dye,
the Overall uncertainty in the determination of discharge (see
the last being useful in checking conditions at the bottom of the
13.5).
channel. A complete and quantitative assessment of
velocity distribution may be made by means of a current meter.
6.4 Downstream conditions
The velocity distribution should then be assessed by reference
to annex C.
The flow conditions downstream of the structure are important
in that they control the tail water level which may influence the
Operation of the flume. The flume shall be so designed that it
6.3 Flume structure
cannot become drowned under the operating conditions (see
10.3.1, 11.3.2 and 12.3.2). Construction of a flume in a river or
6.3.1 The structure shall be rigid and watertight and capable
stream may alter flow conditions and Cause scouring
of withstanding flood flow conditions without darnage from
downstream of the structure. This may result in accumulation
outflanking or from downstream erosion. The axis shall be in
of river bed material further downstream which, in time, may
line with the direction of flow of the upstream channel, and the
raise the normal water level sufficiently to drown the flume,
geometry shall conform to the dimensions given in the relevant
particularly at low rates of flow. Any such accumulation of
clauses.
material shall be removed before it becomes excessive.
The surfaces of the flume throat and the immediate ap-
6.3.2
proach channel shall be smooth : they tan be constructed in
concrete with a smooth cement finish or surfaced with a
7 Maintenance - General requirements
smooth non-corrodible material. In laboratory installations, the
finish shall be equivalent to rolled sheet metal or planed,
Maintenance of the measuring structure and the approach
sanded and painted timber. The surface finish is of particular
channel is important to secure accurate continuous
importante within the prismatic part of the throat but tan be
measurements.
relaxed a distance along the Profile 0,5Hmax upstream and
downstream of the throat proper.
lt is essential that the approach channel to flumes shall be kept
clean and free from silt and Vegetation as far as practicable for
6.3.3 In Order to minimise uncertainty in the discharge, the
at least the distance specified in 6.2.2.2. The float-weil, and the
following tolerantes are acceptable :
entry from the approach channel shall also be kept clean and
free from deposits.
the bottom width of the throat, 0,2 % of this width
a) On
with an absolute maximum of 0,Ol m.
The throat and the curved en try to a flume shall be kept clean
and free from algal growths.
b) On deviation from a plane of the plane surfaces in the
throat, 0,l % of IJ.
On the width between vertical surfaces in the throat,
c)
0,2 % of this width with a maximum of 0,Ol m.
8 Measurement of head
On the average longitudinal and transverse slopes of
d)
.
81 General requirements
the base of the throa t 0,l %.
8.1.1 Where spot measurements are required, the head
e) On a slope of inclined surfaces in the throat, 0,l %.
upstream of the flume throat tan be measured by a vertical or
inclined gauge, a hook, Point, wire or tape gauge. Where a
f) On a length of the throat, 1 % of L.
continuous record is required, a recording gauge shall be used.
in
On deviation from a cylindrical or a conical surface The location of the head measurement section is dealt with in
9)
%ofL. 10.2, 11.2 and 12.2.
the entrance transition to the throat
f O,l
3
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ISO 4359-1983 (EI
100 mm diameter pipe is usually suitable for a flow measure-
8.1.2 As the size of the flume and the head on it reduces,
ment in the field. A diameter of 3 mm may be appropriate in the
small errors in construction and in the zero setting and reading
laboratory.
of the head measuring device become of greater relative impor-
tance.
8.3 Zero setting
8.2 Gauge well
8.3.1 Initial setting of the zero of the head-measuring device
accurately with reference to the level of the invert of the throat,
8.2.1 lt is usual to measure the head in a separate gauge well
and regular checking of this setting thereafter, is essential if
to reduce the effects of water surface irregularities. When this
Overall accuracy is to be attained.
is done, it is also desirable to measure the head in the approach
channel as a check.
8.3.2 An accurate means of checking the zero shall be pro-
vided. The instrument zero should be obtained by a direct
The gauge well shall be vertical and of sufficient height
8.2.2
reference to the throat invert, and a record of the setting made
and/or depth to cover the full range of water levels. In field
in the approach channel and in the gauge weil. A zero check
installations it shall have a minimum margin of 0,3 m over the
based on the water level (either when the flow ceases or just
maximum water level estimated to be measured. At the recom-
begins) is liable to serious errors due to surface tension effects
mended Position for the measurement of head, the well shall be
and shall not be used.
connected to the approach channel by means of a pipe or slot.
Both the well and the connecting pipe or slot shall be 9 Determination of discharge
8.2.3
watertight, and where the well is designed for the accommoda-
tion of the float of a level recorder, it shall be of adequate size
9.1 General equations for discharge
and depth to give clearance around the float at all stages. The
float shall not be nearer than 0,075 m to the wall of the weil.
9.1.1 Critical depth theory, augmented by experimental data,
may be used to deduce the basic equations for free discharge
8.2.4 The pipe or slot shall have its invert not less than 0,06 m
through a streamlined contraction. The simple theory relates to
below the lowest level to be gauged, and it shall terminate flush
the frictionless flow of an ideal fluid, and an additional coeffi-
with the boundary of the approach channel and at right angles
cient has to be introduced in practice, either based on experi-
thereto. The approach channel boundary shall be plain and
ment or deduced by considering a modification to the simple
smooth (equivalent to carefully finished concrete) within a
theory, taking account of the boundary layer development with
distance of ten times the diameter of the pipe or width of slot
a real fluid such as water. This International Standard describes
from the centre line of the connection. The pipe may be oblique
desk calculating methods for determining discharge but where
to the wall only if it is fitted with a removable cap or plate, set
many structures are being considered, Computer analysis may
flush with the Wall, through which a number of holes are
be more appropriate.
drilled. The edges of these holes shall not be rounded or
burred.
9.1.2 The specific energy, E, of flow in an open channel is
given by :
8.2.5 Adequate additional depth shall be provided in the well
to avoid the danger of the float grounding either on the bottom E = ßd + ai2/2g . . . (1)
or on any accumulation of silt or debris. The gauge weil
arrangement may include an intermediate chamber of similar where
size and proportions between it and the approach channel, to
enable silt and other debris to settle out where they may be d is the depth of flow;
readily seen and removed.
-
v is the average velocity through the section;
8.2.6 The diameter of the connecting pipe or width of slot
a is the coefficient taking into account non-uniformity in
shall be sufficient to permit the water level in the w,ell to follow
velocity distribution;
the rise and fall of head without appreciable delay, but on the
other hand it shall be as small as possible consistent with ease
is the coefficient dependent on the mean cu rva tu re of
ß
of maintenance, to damp out oscillations due to short period
the streamlines.
waves.
The equation of continuity is :
8.2.7 No firm rule tan be laid down for determining the size of
the connecting pipe or slot, because this is dependent on the Q = AG- . . .
(2)
circumstances of the particular installation, for example
whether the site is exposed and thus subject to waves, and
whether a large diameter well is required to house the floats of
recorders. It is preferable to make the connection too large
is the total discharge;
Q
rather than too small, because a restriction tan easily be added
later if short period waves are not adequately damped out. A A is the area of the flow Cross-section.
---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO 4359-1983 (EI
=
. . .
(7)
Q &C” b, h;‘2
E = ßd + aQ2/2gA2 . . .
(3)
where
Critical flow occurs when E has its minimum value for a given
discharge Q, treating the depth d, and the area A which is
= (H,lhe)3’2 . . .
(8)
Cv
related to it for any given Cross-section geometry, as the
variables. lt tan be shown that the specific energy is a minimum
Cv is a dimensionless coefficient allowing for the effect of
when
approach velocity on the measured water level upstream of the
weir. Effective heads and widths tan be determined from
observed values
2 ß03
=-
. . .
(4)
Q
tXW
a) by a simple empirical correction (see 10.4.1, 11.4.1 and
12.4.1), or
where w is the water surface width.
b) by theoretical considerations of boundary
9.1.3 Experimentally observed velocity profiles indicate that
development (see a nex D).
the velocity distribution is almost uniform in the throat of
a flume, and it may be assumed therefore that a = 1. If
9.2.3 Analogous relatio for flumes with
the streamlines are not significantly curved, a condition
trapezoidal throats
approached if the throat is in excess of a certain minimum
length, then ß = 1. Hence the basic equation defining critical
=
flow through a streamlined contraction is . . .
h312 (9)
Q fi Cv Cs b
e e
. . . (5)
Q = (g A2/w,)“2
the subscript c indicating critical flow.
is a numerical coefficien
t which takes into account the
Cs
non- rectangular flow section
9.1.4 Equation (5) is not immediately applicable to the
= f(m N,,lb,) l . . (IO)
theoretical derivation of a stage-discharge relationship,
Cs
because :
is the effective total head at critical section.
Hce
account of th e developmen t of a boun-
a) it does not take
Although theoretical design and calibration procedures exist
dary layer of slower moving fluid in the throat;
utilizing the above equations, they are cumbersome. This is
largely because CS is dependent on Hce which differs
b) it is based on the area and water surface width at the
significantly from the gauged head h. An alternative method of
critical section, the location of which is ill-defined so that
computing discharge from equation (5) is given in 11.5.
direct measurement of the water level at that section is
impractical.
9.2.4 corresponding relationship for U-throated
The
Thus the basic equation has to be transformed into a more
is :
practical form, and adjusted to take account of the boundary
effects.
= -
. . .
(11)
Q 3’2 & c,, c, De hz’2
2
3
0
92 . Calculation of discharge from observed head
9.2.1 For the flow of a real fluid through a streamlined rec- C, is a numerical constant account of the
tangular contraction, equation (5) tan be expressed in terms of non-rectangular flow section.
the effective total head as follows :
. . .
= f(H,,lD,) (12)
C”
. . .
be JFHz’2 (6)
De is effective
diameter of base of the U-shaped
throat.
93 . Calculation of stage-discharge relationships
is the effective width of flume throat;
be
9.3.1 In the case of a flume with a rectangular throat equa-
He is the effective total head.
tion (7) has to be used to compute the stage-discharge relation-
ship for the structure. However, equations (9) and (11) cannot
9.2.2 Equation (6) tan then be expressed in terms of he, the conveniently be used to compute this relationship for
effective head gauged upstream of the structure, for flumes trapezoidal and U-throated flumes. An alternative approach tan
with rectangular throats as follows : be used.
5
---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO 43594983 (El
9.4.4 For a trapezoidal approach channel :
9.3.2 A theoretical calibration for a gauging structure for the
whole range of discharge tan be derived by considering flow
. . .
conditions in the throat of the flume and deducing correspon- A = (h + pl [B + m,vl + pl] (18)
ding heads and discharges. The principle of the method is to
select a series of values of L$ the critical depth in the throat, where
and calculate corresponding values of Q and He using the
expressions B relates to the bed width of the approach channel;
. . . is the side slope of the approach channel Walls.
(13)
Q = (g A,3/wc)“*
%
and
9.4.5 For a U-shaped approach channel :
Ac
. . .
= d, + 2w (14)
. . .
He A = $ D&fHh + p)lD,l (19)
C
The effective total head, He, tan be converted to total head, H,
where D, is the diametrical width of the approach channel.
as described in 11.5 and 12.5 and total head H, tan be con-
verted to measured gauged head, h, as outlined in 11.5 and
12.5.
10 Rectangular throated flume
9.4 Approach velocity
10.1 Description
9.4.1 The total head is related to the gauged head by the
equation :
10.1.1 The rectangular throated flume consists of a constric-
tion of rectangular Cross-section symmetrically disposed with
= h, + aF;/2g . . . (15)
respect to the approach channel.
Ne
where
This is the most common type of flume and the easiest to con-
struct, but it cannot be adapted to suit non-rectangular chan-
-
is the mean velocity in the approach channel at the
nels when loss of head is important.
“a
gauging s
...
Norme internationale 0 4359
INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATIONOME~YHAPOnHAR OPrAHH3AUblR no CTAHI1APTH3AUIIHWRGANlSATlON INTERNATIONALE DE NORMALISATION
Mesure de débit des liquides dans les canaux
découverts - Canaux jaugeurs à col rectangulaire, à col
trapézoïdal et à col en U
Liquid flow measurement in open channels - Rectangular, trapezoidal and U-shaped flumes
Premiere ddition - 1983-07-01
- LL CDU 532.532.8 Ref. no : IS0 4359-1983 (FI
Descripteurs : Bcoulement de liquide, Bcoulement d’eau, Bcoulement en canal dbcouvert, mesurage de dBbit, dBbitmbtre, tube de Venturi.
s
Prix bas6 sur 51 pages
---------------------- Page: 1 ----------------------
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale
d’organismes nationaux de normalisation (comités membres de I’ISO). L’élaboration
des Normes internationales est confiée aux comités techniques de I’ISO. Chaque
comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du comité technique
correspondant. Les organisations internationales, gouvernementales et non gouverne-
mentales, en liaison avec I’ISO, participent également aux travaux.
Les projets de Normes internationales adoptés par les comités techniques sont soumis
aux comités membres pour approbation, avant leur acceptation comme Normes inter-
nationales par le Conseil de I‘ISO.
La Norme internationale IS0 4359 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 113,
Mesure de d.4bit des liquides dans les canaux d&couverts, et a été soumise aux comités
membres en novembre 1980.
Les comités membres des pays suivants l’ont approuvée :
Allemagne, R.F. France Suisse
Australie Inde Tchécoslovaquie
Chine Irlande
USA
Égypte, Rép. arabe d‘ Italie
Espagne Pays-Bas
Les comités membres des pays suivants l’ont désapprouvée pour des raisons techni-
ques :
Belgique
Royaume-Uni
O Organisation internationale de normalisation, 1983 O
Imprime en Suisse
II
---------------------- Page: 2 ----------------------
Som maire
Page
1 Objet et domaine d'application .
2 Références. . .
3 Définitions et symboles . .
4 Unités de mesure. . .
5 Choix du type de canal jaugeur .
6 Installation . .
6.1 Choix de I 'emplacement .
6.2 Conditions d'installation .
6.3 Structure du canal jaugeur .
6.4 Conditions en aval . . 3
7 Entretien - Spécifications générales . . 3
8 Mesure de la hauteur de charge .
8.1 Caractéristiques générales .
8.2 Puits de mesurage . . .
8.3 Réglage du zéro . . . 4
9 Calcul du débit. . . . 4
9.1 Équations générales du débit .
9.2 Calcul du débità partir de la hauteur de charge observée
9.3 Calcul des relations hauteuridébit. 6
........... ..........
9.4 Vitesse d'approche . 6
..................
Canal jaugeurà col rectangulaire . . 6
10
10.1 Description . . 6
Emplacement de la section de mesure de la charge. . 7
10.2
10.3 Dispositions intéressant les écoulements modulaires . 7
10.4 Calcul du débit . . 7
10.5 Calcul de la relation hauteur/débit . . 8
10.6 Limites d'application . . 8
10.7 Erreur limite des mesures . . 8
...
111
---------------------- Page: 3 ----------------------
11 Canaux jaugeurs à col trapézoïdal . 9
..
11.1 Description . 9
11.2 Emplacement de la section de mesure de la charge . 9
11.3 Dispositions intéressant les écoulements modulaires . 9
11.4 Calculdu débit . 9
11.5 Calcul de la relation hauteuridébit . 10
11.6 Procéduregraphique . 11
11.7 Limites d'application . 11
11.8 Erreur limite des mesures . 12
12 Canaux jaugeursà col en U (A fond arrondi) . 12
12.1 Description . 12
12.2 Emplacement de la section de mesure de la charge . 13
12.3 Dispositions intéressant les écoulements modulaires . 13
12.4 Calcul du débit
12.5 Calcul de la relation hauteuridébit
12.6 Limites d'application
12.7 Erreur limite des mesures . 16
13 Erreur sur la mesure de débit . 16
13.1 Généralités . 16
13.2 Sources d'erreur . 16
13.3 Typesd'erreur . 16
13.4 Erreurs sur les valeurs des coefficients . 17
13.5 Erreurs de mesure . 17
13.6 Combinaison des erreurs limites donnant l'erreur limite globale sur
la mesure de débit . 17
Annexes
A Guide pour le choix des déversoirs et des canaux jaugeurs pour la mesure
............................. 19
de débit de l'eau dans les canaux découverts
B Symboles et unités . 22
C Distribution des vitesses . 24
D Calcul du débit suivant la théorie de la couche limite . 25
Exemples illustrant les méthodes de calcul du débit . 28
E
F Exemple de calcul de l'erreur limite globale d'une mesure de débit . 32
G Détermination de la hauteur de dénivellation pour les canaux jaugeurs à
col rectangulaire . 33
iv
---------------------- Page: 4 ----------------------
NORME INTERNATIONALE IS0 4359-1983 (F)
Mesure de débit des liquides dans les canaux
découverts - Canaux jaugeurs à col rectangulaire, à col
trapézoïdal et à col en U
1 Objet et domaine d’application 3 Définitions et symboles
La présente Norme internationale traite de la mesure de débit Dans le cadre de la présente Norme internationale, les défini-
dans les rivières et canaux artificiels à régime permanent ou a tions données dans I’ISO 772 sont applicables. Une liste com-
variation lente, au moyen de certains types de canaux jaugeurs plète de symboles avec les unités de mesure correspondantes
à ressaut. Un grand nombre de canaux jaugeurs a été mis au est donnée dans l’annexe B.
point, mais la présente Norme internationale ne considère que
ceux qui jouissent d’une reconnaissance unanime s‘appuyant
sur des travaux de recherche adéquats et des essais in situ, et
n‘ont par conséquent pas besoin d‘être étalonnés sur place.
4 Unités de mesure
Trois types de canaux jaugeurs couvrant une grande gamme
d’utilisations sont recommandés, à savoir :
Les unités de mesure utilisées dans la présente Norme interna-
tionale sont les unités SI.
les canaux jaugeurs à col rectangulaire (voir figure 1);
a)
les canaux jaugeurs a col trapézoïdal (voir figure 4);
b)
5 Choix du type de canal jaugeur
les canaux jaugeurs à col en U, c’est-à-dire à fond
c)
arrondi (voir figure 5).
5.1 Le type de canal jaugeur à utiliser dépend de plusieurs
facteurs dont la gamme des debits à mesurer, la précision
Les conditions d‘écoulement considérées ne dépendent que de
requise, la charge disponible et le fait que I’écoulement charrie
la hauteur de charge amont; il faut donc qu’il existe un écoule-
ou non des sédiments.
ment tranquille (régime fluvial) en amont du canal jaugeur, puis
que I‘écoulement s‘accélère en passant par la contraction et
atteigne sa profondeur critique et enfin que le niveau d’eau au-
5.2 Le canal jaugeur à col rectangulaire est le plus simple B
delà de la structure soit assez bas pour ne pas influer sur les
construire. Pour respecter les proportions, c’est-à-dire pour évi-
caractéristiques de celle-ci.
ter tant une élévation qu’un abaissement de la surface dans le
chenal d’approche lorsque le debit varie, il est nécessaire de
L’annexe A spécifie les critères de choix des déversoirs et des
prévoir sur le lit une surélévation formant le ressaut pour les
canaux jaugeurs pour le mesurage de débit de l‘eau dans les
débits supérieurs ou inférieurs au débit théorique (voir
canaux découverts.
figure 2).
5.3 Le canal jaugeur à col trapézoïdal est plus approprié dans
2 Références
le cas où la gamme des débits à mesurer est large et doit être
mesurée avec une précision uniforme. Cette forme de col est
IS0 748, Mesure de dBbit des liquides dans les canaux
particulièrement bien adaptbe lorsqu’il s’agit de travailler sur
dBcouverts - MBthodes d‘exploration du champ des vitesses.
une relation donnée hauteur/débit.
IS0 772, Mesure de dBbit des liquides dans les canaux
dBcouverts - Vocabulaire et symboles. 5.4 Le canal jaugeur à col en U est utile pour les installations
dans les chenaux à fond arrondi ou pour la mesure de débit en
IS0 1438, Mesure de débit des liquides dans les canaux décou-
conduite de section circulaire. On l‘utilise en particulier dans les
verts au moyen de déversoirs en mince paroi et canaux Venturi. égouts et installations de traitement des eaux résiduaires.
1
---------------------- Page: 5 ----------------------
IS0 4359-1983 (FI
6.2 Conditions d‘installation
6 Installation
6.2.1 Spécifications générales
6.1 Choix de l‘emplacement
6.2.1.1 L‘installation complhte de mesurage comprend un
6.1.1 Le canal jaugeur doit être situé dans un troncon de che-
chenal d’approche, un canal jaugeur et un chenal aval. Les con-
nal rectiligne, à I’écart des obstructions locales, rugosités ou
ditions de chacun de ces trois éléments affectent la précision
inégalités du lit.
totale des mesurages. Les conditions exigées pour l‘installation
comprennent des caractéristiques telles que : état de surface
6.1.2 II faut procéderà une étude préliminaire des conditions du canal jaugeur, forme de la section transversale du chenal,
rugosité du chenal et influence des appareils de contrôle en
physiques et hydrauliques de l’emplacement proposé pour véri-
amont ou en aval du dispositif de jaugeage.
fier qu’il est conforme (ou peut être construit ou rendu con-
forme) aux conditions nécessaires au mesurage effectué au
moyen d’un canal jaugeur. On doit faire particulièrement atten-
6.2.1.2 La répartition et la direction des vitesses peuvent avoir
:
tion aux conditions suivantes pour choisir l’emplacement
une influence importante sur le fonctionnement du canal jau-
geur (voir 6.2.2 et annexe Cl.
Existence d‘une longueur suffisante du chenal, a sec-
a)
tion droite régulière.
6.2.1.3 Une fois le canal jaugeur installé, tout changement
matériel apporté à l’installation modifie les caractéristiques de
Uniformité de la répartition de la vitesse existante (voir
b)
débit.
annexe Cl.
Chenal à forte pente, A éviter (mais voir 6.2.2). 6.2.2 Chenal d’approche
c)
d) Effets de l’augmentation des niveaux de l’eau en
6.2.2.1 Si le débit dans le chenal d’approche est perturbé par
amont, due au dispositif de mesurage.
des irrégularités de la couche limite, telles que, par exemple,
gros cailloux ou affleurements de roches, ou par une courbe,
e) Conditions aval (y compris les influences telles que
une écluse ou tout autre élément provoquant une asymétrie de
marées, confluents avec d’autres cours d’eau, écluses, bar-
I‘écoulement dans le chenal, if peut se produire des erreurs
rages et autres accessoires de contrôle tels que la végétation
sérieuses dans la mesure. L’écoulement dans le chenal d‘appro-
qui peuvent provoquer un écoulement noyé).
che doit avoir une répartition symétrique des vitesses (voir
annexe C) et la meilleure manière de réaliser cette condition est
f) Imperméabilité du sol sur lequel doit reposer le dispositif
de prévoir un long chenal d‘approche rectiligne de section uni-
à un compactage, à
de mesurage et nécessité de procéder
forme.
des jointoiements ou à tout autre moyen de contrôle des
suintements.
6.2.2.2 Une longueur droite de chenal d‘approche, égale à
cinq fois la largeur du cours d’eau à son débit maximal, suffit en
Nécessité pour les rives de retenir le débit maximal de
g)
général dans la mesure où la pénétration de l’eau dans le chenal
crue dans le chenal.
ne se fait pas A grande vitesse par un coude A angle aigu ou une
écluse oblique. Cependant, il y a intérêt à prévoir une plus
Stabilité des rives et nécessité de nettoyer et/ou de gar-
h)
grande longueur de chenal d‘approche uniforme, si cela est
nir d’un revêtement.
possible.
Uniformité de la section du chenal d’approche.
j)
6.2.2.3 La longueur de chenal d’approche uniforme indiquée
k) Effet du vent; celui-ci peut avoir un effet considérable
en 6.2.2.2 correspond à la distance située en amont du point de
sur I’écoulement dans une rivihre, un déversoir ou un canal
mesure de la charge. Dans un chenal naturel cependant, il ne
jaugeur, surtout lorsque ceux-ci sont larges et la charge fai-
serait pas rentable de bétonner le lit et les berges sur une telle
ble et que le vent dominant est dans une direction transver-
et il peut être nécessaire de prévoir une contraction en
distance
sale.
plan si la largeur entre les parois verticales du chenal canalisé
est inférieure à la largeur du chenal naturel. La portion non
m) Croissance de mauvaises herbes aquatiques.
canalisée du chenal en amont de la contraction doit néanmoins
respecter les conditions de 6.2.2.1 et 6.2.2.2.
n) Transport solide.
6.2.2.4 Les parois latérales verticales ménageant la contrac-
tion en plan doivent être disposees symétriquement par rapport
6.1.3 Si l’emplacement ne remplit pas les conditions requises
à l‘axe du chenal et doivent de préférence être incurvées sur un
pour effectuer des mesurages satisfaisants, ou si un examen du
courant montre que la répartition des vitesses dans le chenal rayon d’au moins W,,,. Le point de tangence en aval doit se
d‘approche diffère de manière appréciable de celle qui est indi- situer à au moins H,,, en amont de la section de mesure de la
quée dans les exemples de l’annexe c, il ne faut pas l‘utiliser à charge et la portion revêtue du chenal d’approche comprise
moins qu’il soit possible d’y apporter les améliorations néces- entre l’extrémité des parois latérales incurvées et la section de
à l‘entrée du canal jaugeur doit avoir une section en
saires. Le fonctionnement de l‘installation doit également être transition
vérifié par une mesure de débit séparée. forme de prisme.
2
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IS0 4359-1983 (FI
Défaut de planéité des surfaces planes de la transition à
6.2.2.5 Dans un chenal exempt de débris flottants ou en sus- h)
l‘entrée du col : 0,l % de L.
pension, on peut également établir de bonnes conditions
d’approche en plaçant judicieusement des chicanes formées de
à une Défaut de planéité des surfaces planes de la transition à
lattes verticales, mais aucune chicane ne doit être placée
j)
la sortie du col : 0,3 % de L.
distance du point de mesurage inférieure à lOH,,,.
k) Défaut de planéité ou de courbure des autres surfaces
6.2.2.6 Dans certaines conditions, un ressaut peut apparaître
verticales ou obliques : 1 ”O.
en amont du dispositif de mesurage, par exemple, si le chenal
d’approche est à forte pente. Si ce ressaut est à une distance en
m) Défaut de planéité du lit dans la partie revêtue du che-
amont au moins égale à 30H,,,, on peut effectuer le mesurage
nal d’approche : 0,l % de L.
du débit, sous réserve qu’il existe une répartition régulière des
vitesses au niveau de la station de jaugeage.
La structure doit être mesurée dès son achèvement, et un cal-
cul doit être fait sur les dimensions importantes et leurs écarts-
6.2.2.7 L’état du chenal d’approche peut être vérifié par exa-
types pour des limites de confiance de 95 %. Les dimensions
men visuel ou par des mesures pour lesquelles on dispose de
servent au calcul du débit et I’écart-type au calcul de l‘erreur
plusieurs techniques telles que flotteurs, bâtons de vitesse ou
limite globale sur une seule détermination du débit (voir 13.5).
solutions concentrées de colorants, la dernière technique ser-
à vérifier les conditions au fond du chenal. Une estimation
vant
6.4 Conditions en aval
complète et quantitative de la répartition des vitesses peut
s’obtenir au moyen d’un moulinet. La répartition des vitesses
Les conditions d‘écoulement en aval de la structure sont impor-
doit alors être vérifiée par référence à l’annexe C.
tantes parce qu‘elles contrôlent le niveau d‘eau aval et peuvent
influer sur le fonctionnement du canal jaugeur. Le canal jaugeur
doit être concu de facon à ne pas pouvoir être noyé dans les
6.3 Structure du canal jaugeur
10.3.1, 11.3.2 et 12.3.2). La construc-
conditions d’emploi (voir
tion d’un canal jaugeur dans une rivière ou un fleuve peut modi-
6.3.1 La structure doit &re rigide, étanche et capable de résis-
fier les conditions d’écoulement et provoquer des affouille-
ter aux écoulements de crue sans être endommagee par des
ments en aval de la structure, d‘où une accumulation de maté-
débordements ou I‘érosion aval. Son axe doit être aligné sur la
riaux de lit plus en aval, ce qui, à la longue, pourrait faire suffi-
direction de I’écoulement du chenal amont et sa geométrie doit
samment monter le niveau de l’eau pour noyer le canal jaugeur
correspondre aux dimensions données dans les chapitres qui
notamment à faibles débits. Toute accumulation de la sorte
s’y rapportent.
doit être éliminée avant qu’elle prenne des proportions excessi-
ves.
6.3.2 La surface du col du canal jaugeur et du tronçon immé-
diatement voisin du chenal d‘approche doit être lisse. Elle peut
être en béton recouvert pour la finition d’une couche de ciment
lisse ou d’un matériau lisse non sujet à la corrosion. Dans les
7 Entretien - Spécifications générales
installations de laboratoire, la finition doit être équivalente à
celle d’une tôle laminée ou d‘un bois raboté, poncé et peint. La
L’entretien du dispositif de mesurage et du chenal d’approche
finition superficielle est particulièrement importante sur la partie
est important pour assurer des mesurages précis et continus.
prismatique du col, mais moins importante sur le profil sur une
distance de 0,5H,,, en amont et en aval du col proprement dit.
II est primordial que le chenal d‘approche du canal jaugeur soit,
dans la mesure du possible, maintenu propre et exempt de
6.3.3 Pour minimiser les erreurs sur la mesure du débit, les limon et de vegetation sur une distance au moins égaie A celle
: spécifiée en 6.2.2.2. Le puits A flotteur et l’entrée du chenal
tolérances suivantes sont acceptables
d‘approche doivent aussi être maintenus propres et exempts de
Largeur à la base du col : 0,2 YO de cette largeur avec depôts.
a)
un maximum absolu de 0.01 m.
Le col et le convergent d‘un canal jaugeur doivent être mainte-
Défaut de planéité des surfaces planes du col : 0,l % nus propres et exempts d’algues.
b)
de L.
Ecartement des surfaces verticales du col : 0,2 % de
c)
I’écartement avec un maximum de 0,Ol m.
8 Mesure de la hauteur de charge
Pentes moyennes longitudinales et transversales de la
d)
8.1 Caractéristiques g 6néra les
base du col : 0,l %.
Pentes des surfaces obliques du col : 0,l %. 8.1.1 En cas de mesures ponctuelles, la charge peut être
e)
mesurée B l’aide d’éChelles limnimetriques verticales, de pointes
Longueur du col : 1 % de L. limnimétriques recourbees ou droites, de sondes lirnnimetri-
f)
ques visuelles ou électriques. En cas d’enregistrements en con-
Défaut de cylindricité ou de conicité de la transition à tinu, on utilisera des limnigraphes. Les emplacements des
g)
l‘entrée du col : 0,l % de L. mesures de charge sont indiqués en 10.2, 11.2 et 12.2.
3
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IS0 4359-1983 (FI
8.1.2 Plus la taille du canal jaugeur et la charge correspon- suffisant pour loger les flotteurs des limnigraphes, etc. II est
préférable d’avoir un raccord plutôt trop large que trop étroit,
dante sont petites, plus les erreurs de construction, de réglage
du zéro et de lecture du dispositif mesureur de charge, même car il est facile d’ajouter ultérieurement une restriction si I’amor-
petits, prennent d‘importance relative. tissement des ondes à court cycle ne se fait pas convenable-
II est généralement suffisant d’avoir une tuyauterie de
ment.
100 mm de diamètre pour les mesures de débit in situ. Un dia-
8.2 Puits de mesurage
mètre de 3 mm peut convenir pour les mesures en laboratoire.
8.2.1 II est habituel de mesurer la charge dans un puits de
8.3 Réglage du zéro
mesurage séparé pour réduire les effets des irrégularités super-
ficielles de l’eau. Dans ce cas il est souhaitable également de
mesurer la charge dans le chenal d’approche à des fins de vérifi-
8.3.1 II est essentiel, pour obtenir une bonne précision glo-
cation.
bale, d‘une part d’avoir un réglage initial précis du zéro des dis-
positifs mesureurs de la charge par rapport au niveau du radier
du col et, d‘autre part, de vérifier régulièrement ces réglages
8.2.2 Les puits de mesurage doivent être verticaux et de hau-
dans la suite des opérations.
teur etlou de profondeur suffisantes pour couvrir toute la
gamme des niveaux d’eau. Dans les installations in situ, ils doi-
vent avoir une hauteur minimale de 0,3 m au-dessus du niveau
8.3.2 Un moyen précis doit être prévu pour vérifier le zéro. Le
À l’endroit recommandé pour la mesure de
maximal escompté.
zéro de l‘instrument doit être obtenu par référence directe au
la charge le puits doit être raccordé au chenal d’approche par
radier du col et une note du réglage doit être faite dans le che-
une tuyauterie ou une fente.
nal d’approche et dans le puits de mesurage. La vérification du
zéro par rapport au niveau de l‘eau (soit en fin d‘écoulement ou
juste au début) est sujette à des erreurs sérieuses par suite des
8.2.3 Le puits, la tuyauterie de raccordement ou la fente doi-
effets tensio-actifs et il faut donc I‘éviter.
vent chacun être imperméables à l’eau et lorsque le puits est
prévu pour loger le flotteur d’un limnigraphe, il doit être de taille
et de profondeur suffisantes pour permettre la flottaison de ce
flotteur quel que soit le niveau de l’eau. Le flotteur ne doit pas
se trouver à moins de 0,075 m de la paroi du puits.
9 Calcul du débit
8.2.4 La radier de la tuyauterie doit se trouver à au moins
0,06 m en dessous du niveau le plus bas B enregistrer, affleurer 9.1 Équations générales du débit
au ras de la couche limite du chenal d‘approche, perpendiculai-
à celle-ci. La couche limite du chenal d’approche doit
rement
9.1.1 La théorie de la profondeur critique appuyée par des
être uniforme et lisse (finition équivalant à celle du béton soi-
données expérimentales peut servir à définir les équations de
gneusement fini) sur une distance égale à dix fois le diamètre de
base relatives à un écoulement libre dans une contraction profi-
la tuyauterie à partir de l’axe du raccord. La tuyauterie ne peut
lée. La théorie simple s’applique à un écoulement de fluide
être inclinée par rapport à la paroi que si elle est munie d’un
idéal, sans frottement. Lorsqu‘on considère un fluide réel
couvercle ou d’une plaque de température amovible affleurant
comme l’eau, un coefficient supplémentaire doit être ajouté
la paroi et percée de trous, dont les bords ne doivent être ni
dans les mesures pratiques, qu’il soit déterminé par expérience
arrondis ni ébarbés.
ou dérivé par modification de la théorie simple, pour tenir
compte de la formation d’une couche limite. La présente
8.2.5 Une profondeur de réserve doit être prévue dans le puits
Norme internationale définit des méthodes de calcul manuelles
pour empêcher I’échouage des flotteurs sur le fond ou sur les
permettant de déterminer le débit, mais, lorsqu‘on considère un
limons ou les débris accumulés. Le puits de mesurage peut
grand nombre de structures, il vaut mieux employer des ordina-
comporter une chambre intermédiaire de dimensions et de pro-
teurs.
portions similaires placée entre lui et le chenal d’approche pour
à un endroit où il
permettre le dépôt des limons et autres débris
9.1.2 L‘énergie spécifique, E, d’un écoulement dans un che-
est facile de les repérer et de les éliminer.
nal est donnée par :
8.2.6 Le diamètre de la tuyauterie de raccordement ou la lar-
E = pd f aV2/2g
. . (1)
geur de la fente doivent être suffisants pour permettre au
niveau d‘eau dans le puits de suivre les fluctuations en hausse
où
ou en baisse de la hauteur de charge sans retard appréciable,
mais aussi suffisamment petits, compte tenu des exigences
d est la profondeur de I‘écoulement;
d‘entretien, pour amortir les oscillations dues aux ondes à cycle
-
court.
v est la vitesse moyenne dans la section;
8.2.7 Il n‘est pas possible de fixer de règles strictes pour la
a est le coefficient tenant compte de la non-uniformité du
détermination de la taille de la tuyauterie de raccordement car champ des vitesses;
ce parametre dépend des conditions particulieres de l’installa-
: par exemple, si l‘emplacement est à découvert
tion considérée
p est le coefficient fonction de la courbure moyenne des
et donc exposé aux vagues, si le diametre du puits doit être lignes de courant.
4
---------------------- Page: 8 ----------------------
IS0 4359-1983 (F)
où
L‘équation de continuitb est :
be est la largeur utile du col du canal jaugeur;
Q = AV . . . (2)
He est la hauteur de charge totale utile.
où
Q est le débit total; 9.2.2 On peut alors exprimer I‘équation (6) en fonction de he,
la hauteur de charge utile jaugée en amont de la structure.
L’équation devient donc, pour les canaux jaugeurs à col rectan-
A est l’aire de la section transversale d’écoulement.
gulaire :
D‘où
(7)
. . . (3)
E = pd + aQ2/2gA2
où
On a écoulement critique lorsque E prend une valeur minimale
pour un débit donné Q, la profondeur d et l’aire A correspon-
. . . (8)
c, = (He/h,)3’2
dante pour une géométrie donnée de la section transversale
étant prises comme variables. On peut démontrer que l’énergie
C, est un coefficient sans dimension tenant compte de
spécifique est minimale quand
l‘influence de la vitesse d‘approche sur le niveau mesuré en
amont du canal jaugeur. Les hauteurs et largeurs utiles peuvent
(4) être déterminées à partir des valeurs relevées
par simple correction empirique (voir 10.4.1, 11.4.1 et
a)
où w est la largeur du plan d’eau.
12.4.11, ou
après considérations théoriques sur la formation de la
b)
9.1.3 Les profils des vitesses observées au cours des expé-
couche limite (voir annexe DI.
riences indiquent que la distribution des vitesses est presque
uniforme dans le col d‘un canal jaugeur et on peut donc suppo-
9.2.3 Le même genre de relation peut être obtenu pour les
ser que a = 1. Si les lignes de courant sont suffisamment
canaux jaugeurs à col trapézoïdal :
incurvées, condition observée lorsque le col est de longueur
supérieure à un certain minimum, = 1. L’équation de base
définissant un écoulement critique B travers une contraction
. (9)
profilée est :
où
est un facteur numérique tenant compte de la non-
l’indice c indiquant que le débit est critique. C,
rectangularité de la section d‘écoulement
9.1.4 L’équation (5) n’est pas directement applicable à la déri- , , . 110)
c, = f(m Hcelbe)
vée de la relation hauteur/débit car :
H,, est la hauteur de charge totale utile à la section criti-
que.
a) elle ne tient pas compte de la formation d’une couche
limite se déplaçant moins vite dans le col;
Des méthodes théoriques de calcul et d‘étalonnage existent qui
A
emploient les équations ci-dessus, mais elles sont lourdes
b) elle est fonction de l’aire et de la largeur de la surface de
manipuler, du fait surtout que C, dépend de Hce qui diffère de
l’eau au niveau de la section critique dont l’emplacement est
façon significative de la hauteur jaugée h. Le paragraphe 11.5
mal défini, ce qui rend difficile une mesure directe du niveau
donne une autre méthode pour calculer le débit d’après I‘équa-
d’eau dans cette section.
tion (5).
L‘équation de base doit donc &re transformée en une équation
plus pratique et corrigée pour tenir compte des effets de cou-
9.2.4 La relation correspondante pour les canaux jaugeurs à
che limite.
col en U est :
(11)
9.2 Calcul du débit à partir de la hauteur de
charge observde
où
9.2.1 Si l’on considère I‘écoulement d’un fluide réel dans une
est une constante numérique tenant compte de la non-
Cu
contraction rectangulaire profilée, on peut exprimer I’équation
rectangularité de la section d’écoulernent
(5) en fonction de la hauteur de charge totale utile comme suit :
(6)
De est le diamètre utile de la base du col en U.
5
---------------------- Page: 9 ----------------------
IS0 4359-1983 (FI
9.3 Calcul des relations hauteur/dkbit 9.4.3 Pour un chenal d‘approche rectangulaire :
A = B(h + p)
9.3.1 Dans le cas d’un canal jaugeur à col rectangulaire, on
(7) pour calculer la relation hauteur/débit
doit utiliser I‘équation
où
de la structure. Les équations (9) et (1 1) ne sont par contre pas
pratiques pour calculer la relation correspondante pour les
B est la largeur du chenal d’approche;
...
Norme internationale
INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATIONWV~E~YHAPO~HAR OP!-AHM3A~MR IlO CTAH~APTbl3Al@lbl~RGANISATION INTERNATIONALE DE NORMALISATION
Mesure de débit des liquides dans les canaux
découverts - Canaux jaugeurs à col rectangulaire, à col
trapézoïdal et à col en U
Liquid flow measurement in open channels - Rectangular, trapezoidal and U-shaped flumes
Première édition - 1983-07-01
Réf. no : ISO 43594983 (F)
CDU 532.532.8
Descripteurs : écoulement de liquide, écoulement d’eau, écoulement en canal découvert, mesurage de débit, débitmétre, tube de Venturi.
Prix basé sur 51 pages
---------------------- Page: 1 ----------------------
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale
d’organismes nationaux de normalisation (comités membres de I’ISO). L’élaboration
des Normes internationales est confiée aux comités techniques de I’ISO. Chaque
comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du comité technique
correspondant. Les organisations internationales, gouvernementales et non gouverne-
mentales, en liaison avec I’ISO, participent également aux travaux.
Les projets de Normes internationales adoptés par les comités techniques sont soumis
aux comités membres pour approbation, avant leur acceptation comme Normes inter-
nationales par le Conseil de I’ISO.
La Norme internationale ISO 4359 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 113,
Mesure de d&bit des liquides dans les canaux découverts, et a été soumise aux comités
membres en novembre 1980.
Les comités membres des pays suivants l’ont approuvée :
France Suisse
Allemagne, R.F.
Australie Inde Tchécoslovaquie
Chine Irlande USA
Égypte, Rép. arabe d’ Italie
Espagne Pays-Bas
Les comités membres des pays suivants l’ont désapprouvée pour des raisons techni-
ques :
Belgique
Royaume-Uni
0 Organisation internationale de normalisation, 1983 l
Imprimé en Suisse
ii
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Sommaire
Page
1 Objet et domaine d’application . 1
2 Références . 1
3 .
Définitions et symboles 1
4 Unitésdemesure . 1
........................................
5 Choix du type de canal jaugeur 1
6 Installation . 2
6.1 Choix de I ‘emplacement. . 2
6.2 Conditions d’installation .
2
......................................
6.3 Structure du canal jaugeur 3
.............................................
6.4 Conditions en aval 3
7 Entretien - Spécifications générales. . 3
8 Mesure de la hauteur de charge . 3
8.1 Caractéristiques générales .
3
.............................................
8.2 Puits de mesurage 4
8.3 Réglagedu zéro . 4
9 Calculdudébit . 4
9.1 Équations générales du débit . 4
9.2 Calcul du débit à partir de la hauteur de charge observée. . 5
...............................
9.3 Calcul des relations hauteur/débit. 6
............................................
9.4 Vitesse d’approche 6
10 Canal jaugeur à col rectangulaire . 6
10.1 Description . 6
.................
10.2 Emplacement de la section de mesure de la charge. 7
10.3 Dispositions intéressant les écoulements modulaires . 7
................................................
10.4 Calcul du débit 7
10.5 Calcul de la relation hauteur/débit . 8
10.6 Limites d’application . 8
.......................................
10.7 Erreur limite des mesures 8
. . .
Ill
---------------------- Page: 3 ----------------------
11 Canaux jaugeurs à col trapézoïdal. . . 9
Description . . 9
11.1
11.2 Emplacement de la section de mesure de la charge. . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
11.3 Dispositions intéressant les écoulements modulaires . . . . . . . . . . . . . . . . 9
11.4 Calcul du-débit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . . . . . . . . . . . . 9
. 10
11.5 Calcul de la relation hauteur/débit . . . .
11
11.6 Procédure graphique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 11
11.7 Limites d’application . . . . . . . . . . . . . .
. 12
11.8 Erreur limite des mesures . . . . . . . . . . . .
. . . 12
12 Canaux jaugeurs à col en U (à fond arrondi)
. 12
12.1 Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
12.2 Emplacement de la section de mesure de la charge. . . . . . . . . . . . . . . . . .
Dispositions intéressant les écoulements modulaires . 13
12.3
13
12.4 Calcul du débit .
14
12.5 Calcul de la relation hauteur/débit .
Limites d’application . 15
12.6
..................................... 16
12.7 Erreur limite des mesures
16
13 Erreur sur la mesure de débit .
16
13.1 Généralités .
Sources d’erreur . 16
13.2
16
13.3 Types d’erreur .
17
13.4 Erreurs sur les valeurs des coefficients .
17
13.5 Erreurs de mesure .
13.6 Combinaison des erreurs limites donnant l’erreur limite globale sur
lamesurededébit . 17
Annexes
A Guide pour le choix des déversoirs et des canaux jaugeurs pour la mesure
de débit de l’eau dans les canaux découverts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
22
B Symboles et unités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
............................................... .24
C Distribution des vitesses
...................... 25
D Calcul du débit suivant la théorie de la couche limite
28
E Exemples illustrant les méthodes de calcul du débit .
32
...........
F Exemple de calcul de l’erreur limite globale d’une mesure de débit
G Détermination de la hauteur de dénivellation pour les canaux jaugeurs à
33
col rectangulaire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
iv
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 43594983 (FI
NORME INTERNATIONALE
Mesure de débit des liquides dans les canaux
découverts - Canaux jaugeurs à col rectangulaire, à col
trapézoïdal et à col en U
1 Objet et domaine d’application 3 Définitions et symboles
La présente Norme internationale traite de la mesure de débit Dans le cadre de la présente Norme internationale, les défini-
dans les rivières et canaux artificiels à régime permanent ou à tions données dans I’ISO 772 sont applicables. Une liste com-
plète de symboles avec les unités de mesure correspondantes
variation lente, au moyen de certains types de canaux jaugeurs
à ressaut. Un grand nombre de canaux jaugeurs a été mis au est donnée dans l’annexe B.
point, mais la présente Norme internationale ne considère que
ceux qui jouissent d’une reconnaissance unanime s’appuyant
sur des travaux de recherche adéquats et des essais in situ, et
n’ont par conséquent pas besoin d’être étalonnés sur place.
4 Unités de mesure
Trois types de canaux jaugeurs couvrant une grande gamme
d’utilisations sont recommandés, à savoir :
Les unités de mesure utilisées dans la présente Norme interna-
tionale sont les unités SI.
a) les canaux jaugeurs à col rectangulaire (voir figure 1);
b) les canaux jaugeurs à col trapézoïdal (voir figure 4);
5 Choix du type de canal jaugeur
c) les canaux jaugeurs à col en U, c’est-à-dire à fond
arrondi (voir figure 5).
5.1 Le type de canal jaugeur à utiliser dépend de plusieurs
facteurs dont la gamme des débits à mesurer, la précision
Les conditions d’écoulement considérées ne dépendent que de
requise, la charge disponible et le fait que l’écoulement charrie
la hauteur de charge amont; il faut donc qu’il existe un écoule-
ou non des sédiments.
ment tranquille (régime fluvial) en amont du canal jaugeur, puis
que l’écoulement s’accélére en passant par la contraction et
atteigne sa profondeur critique et enfin que le niveau d’eau au-
5.2 Le canal jaugeur à col rectangulaire est le plus simple à
delà de la structure soit assez bas pour ne pas influer sur les
construire. Pour respecter les proportions, c’est-a-dire pour évi-
caractéristiques de celle-ci.
ter tant une élévation qu’un abaissement de la surface dans le
chenal d’approche lorsque le débit varie, il est nécessaire de
L’annexe A spécifie les critères de choix des déversoirs et des
prévoir sur le lit une surélévation formant le ressaut pour les
canaux jaugeurs pour le mesurage de débit de l’eau dans les
débits supérieurs ou inférieurs au débit théorique (voir
canaux découverts.
figure 2).
5.3 Le canal jaugeur à col trapézoïdal est plus approprié dans
2 Références
le cas où la gamme des débits à mesurer est large et doit être
mesurée avec une précision uniforme. Cette forme de col est
ISO 748, Mesure de débit des liquides dans les canaux
particulièrement bien adaptée lorsqu’il s’agit de travailler sur
découverts - M&hodes d’exploration du champ des vitesses.
une relation donnée hauteur/débit.
ISO 772, Mesure de débit des liquides dans les canaux
5.4 Le canal jaugeur à col en U est utile pour les installations
découverts - Vocabulaire et symboles.
dans les chenaux à fond arrondi ou pour la mesure de débit en
ISO 1438, Mesure de débit des liquides dans les canaux décou- conduite de section circulaire. On l’utilise en particulier dans les
verts au moyen de déversoirs en mince paroi et canaux venturi. égouts et installations de traitement des eaux résiduaires.
1
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1s0 4359-1983 (FI
6 Installation 6.2 Conditions d’installation
6.2.1 Spécifications générales
6.1 Choix de l’emplacement
6.2.1 .l L’installation complète de mesurage comprend un
6.1.1 Le canal jaugeur doit être situé dans un troncon de che-
chenal d’approche, un canal jaugeur et un chenal aval. Les con-
nal rectiligne, à l’écart des obstructions locales, rugosités ou
ditions de chacun de ces trois éléments affectent la précision
inégalités du lit.
totale des mesurages. Les conditions exigées pour l’installation
comprennent des caractéristiques telles que : état de surface
6.1.2 II faut procéder à une étude préliminaire des conditions du canal jaugeur, forme de la section transversale du chenal,
physiques et hydrauliques de l’emplacement proposé pour véri- rugosité du chenal et influence des appareils de contrôle en
fier qu’il est conforme (ou peut être construit ou rendu con- amont ou en aval du dispositif de jaugeage.
forme) aux conditions nécessaires au mesurage effectué au
moyen d’un canal jaugeur. On doit faire particulièrement atten-
6.2.1.2 La répartition et la direction des vitesses peuvent avoir
tion aux conditions suivantes pour choisir l’emplacement :
une influence importante sur le fonctionnement du canal jau-
geur (voir 6.2.2 et annexe C).
a) Existence d’une longueur suffisante du chenal, à sec-
tion droite régulière.
6.2.1.3 Une fois le canal jaugeur installé, tout changement
matériel apporté à l’installation modifie les caractéristiques de
b) Uniformité de la répartition de la vitesse -existante (voir
débit.
annexe C).
c) Chenal à forte pente, à éviter (mais voir 6.2.2). 6.2.2 Chenal d’approche
d) Effets de l’augmentation des niveaux de l’eau en
6.2.2.1 Si le débit dans le chenal d’approche est perturbé par
amont, due au dispositif de mesurage.
des irrégularités de la couche limite, telles que, par exemple,
gros cailloux ou affleurements de roches, ou par une courbe,
e) Conditions aval (y compris les influences telles que
une écluse ou tout autre élément provoquant une asymétrie de
marées, confluents avec d’autres cours d’eau, écluses, bar-
l’écoulement dans le chenal, if peut se produire des erreurs
rages et autres accessoires de contrôle tels que la végétation
sérieuses dans la mesure. L’écoulement dans le chenal d’appro-
qui peuvent provoquer un écoulement noyé).
che doit avoir une répartition symétrique des vitesses (voir
annexe C) et la meilleure manière de réaliser cette condition est
f) Imperméabilité du sol sur lequel doit reposer le dispositif
de prévoir un long chenal d’approche rectiligne de section uni-
de mesurage et nécessité de procéder à un compactage, à
forme.
des jointoiements ou à tout autre moyen de contrôle des
suintements.
6.2.2.2 Une longueur droite de chenal d’approche, égale à
cinq fois la largeur du cours d’eau à son débit maximal, suffit en
g) Nécessité pour les rives de retenir le débit maximal de
général dans la mesure où la pénétration de l’eau dans le chenal
crue dans le chenal.
ne se fait pas à grande vitesse par un coude à angle aigu ou une
écluse oblique. Cependant, il y a intérêt à prévoir une plus
h) Stabilité des rives et nécessité de nettoyer et/ou de gar-
grande longueur de chenal d’approche uniforme, si cela est
nir d’un revêtement.
possible.
j) Uniformité de la section du chenal d’approche.
6.2.2.3 La longueur de chenal d’approche uniforme indiquée
k) Effet du vent; celui-ci peut avoir un effet considérable
en 6.2.2.2 correspond à la distance située en amont du point de
sur l’écoulement dans une rivière, un déversoir ou un canal
mesure de la charge. Dans un chenal naturel cependant, il ne
jaugeur, surtout lorsque ceux-ci sont larges et la charge fai-
serait pas rentable de bétonner le lit et les berges sur une telle
ble et que le vent dominant est dans une direction transver-
distance et il peut être nécessaire de prévoir une contraction en
sale.
plan si la largeur entre les parois verticales du chenal canalisé
est inférieure à la largeur du chenal naturel. La portion non
m) Croissance de mauvaises herbes aquatiques.
canalisée du chenal en amont de la contraction doit néanmoins
respecter les conditions de 6.2.2.1 et 6.2.2.2.
n) Transport solide.
6.2.2.4 Les parois latérales verticales ménageant la contrac-
6.1.3 Si l’emplacement ne remplit pas les conditions requises tion en plan doivent être disposées symétriquement par rapport
pour effectuer des mesurages satisfaisants, ou si un examen du à l’axe du chenal et doivent de préférence être incurvées sur un
courant montre que la répartition des vitesses dans le chenal
rayon d’au moins 2H,,,. Le point de tangence en aval doit se
d’approche diffère de manière appréciable de celle qui est indi- situer à au moins Hmax en amont de la section de mesure de la
quée dans les exemples de l’annexe C, il ne faut pas l’utiliser à charge et la portion revêtue du chenal d’approche comprise
moins qu’il soit possible d’y apporter les améliorations néces- entre l’extrémité des parois latérales incurvées et la section de
saires. Le fonctionnement de l’installation doit également être transition à l’entrée du canal jaugeur doit avoir une section en
vérifié par une mesure de débit séparée. forme de prisme.
2
---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 4359-1983 (FI
h) Défaut de planéité des surfaces planes de la transition à
6.2.2.5 Dans un chenal exempt de débris flottants ou en sus-
pension, on peut également établir de bonnes conditions l’entrée du col : 0,l % de L.
d’approche en placant judicieusement des chicanes formées de
j) Défaut de planéité des surfaces planes de la transition à
lattes verticales, mais aucune chicane ne doit être placée à une
la sortie du col : 0,3 % de L.
distance du point de mesurage inférieure a lOH,,,.
k) Défaut de planéité ou de courbure des autres surfaces
6.2.2.6 Dans certaines conditions, un ressaut peut apparaître
verticales ou obliques : 1 %.
en amont du dispositif de mesurage, par exemple, si le chenal
d’approche est à forte pente. Si ce ressaut est à une distance en
m) Défaut de planéité du lit dans la partie revêtue du che-
amont au moins égale à 3OH,,,, on peut effectuer le mesurage
nal d’approche : 0,l % de L.
du débit, sous réserve qu’il existe une répartition régulière des
vitesses au niveau de la station de jaugeage.
La structure doit être mesurée dès son achèvement, et un cal-
cul doit être fait sur les dimensions importantes et leurs écarts-
6.2.2.7 L’état du chenal d’approche peut être vérifié par exa-
types pour des limites de confiance de 95 %. Les dimensions
men visuel ou par des mesures pour lesquelles on dispose de
servent au calcul du débit et l’écart-type au calcul de l’erreur
plusieurs techniques telles que flotteurs, bâtons de vitesse ou
limite globale sur une seule détermination du débit (voir 13.5).
solutions concentrées de colorants, la dernière technique ser-
vant à vérifier les conditions au fond du chenal. Une estimation
6.4 Conditions en aval
complète et quantitative de la répartition des vitesses peut
s’obtenir au moyen d’un moulinet. La répartition des vitesses
Les conditions d’écoulement en aval de la structure sont impor-
doit alors être vérifiée par référence à l’annexe C.
tantes parce qu’elles contrôlent le niveau d’eau aval et peuvent
influer sur le fonctionnement du canal jaugeur. Le canal jaugeur
6.3 Structure du canal jaugeur doit être concu de façon à ne pas pouvoir être noyé dans les
conditions d’émploi (voir 10.3.1, 11.3.2 et 12.3.2). La construc-
tion d’un canal jaugeur dans une riviére ou un fleuve peut modi-
6.3.1 La structure doit être rigide, étanche et capable de résis-
fier les conditions d’écoulement et provoquer des affouille-
ter aux écoulements de crue sans être endommagée par des
ments en aval de la structure, d’où une accumulation de maté-
débordements ou l’érosion aval. Son axe doit être aligné sur la
riaux de lit plus en aval, ce qui, à la longue, pourrait faire suffi-
direction de l’écoulement du chenal amont et sa géométrie doit
samment monter le niveau de l’eau pour noyer le canal jaugeur
correspondre aux dimensions données dans les chapitres qui
notamment à faibles débits. Toute accumulation de la sorte
s’y rapportent.
doit être éliminée avant qu’elle prenne des proportions excessi-
ves.
6.3.2 La surface du col du canal jaugeur et du troncon immé-
diatement voisin du chenal d’approche doit être lisse. Elle peut
être en béton recouvert pour la finition d’une couche de ciment
lisse ou d’un matériau lisse non sujet à la corrosion. Dans les
7 Entretien - Spécifications générales
installations de laboratoire, la finition doit être équivalente à
celle d’une tôle laminée ou d’un bois raboté, poncé et peint. La
L’entretien du dispositif de mesurage et du chenal d’approche
finition superficielle est particulièrement importante sur la partie
est important pour assurer des mesurages précis et continus.
prismatique du col, mais moins importante sur le profil sur une
distance de 0,5H,,,ax en amont et en aval du col proprement dit.
II est primordial que le chenal d’approche du canal jaugeur soit,
dans la mesure du possible, maintenu propre et exempt de
6.3.3 Pour minimiser les erreurs sur la mesure du débit, les limon et de végétation sur une distance au moins égale à celle
spécifiée en 6.2.2.2. Le puits à flotteur et l’entrée du chenal
tolérances suivantes sont acceptables :
d’approche doivent aussi être maintenus propres et exempts de
a) Largeur à la base du col : 0,2 % de cette largeur avec dépôts.
un maximum absolu de 0,Ol m.
Le col et le convergent d’un canal jaugeur doivent être mainte-
b) Défaut de planéité des surfaces planes du col : 0,l % nus propres et exempts d’algues.
de L.
c) Écartement des surfaces verticales du col : 0,2 % de
l’écartement avec un maximum de 0,Ol m.
8 Mesure de la hauteur de charge
d) Pentes moyennes longitudinales et transversales de la
8.1 Caractéristiques générales
base du col : 0,l %.
8.1.1 En cas de mesures ponctuelles, la charge peut être
e) Pentes des surfaces obliques du col : 0,l %.
mesurée à l’aide d’échelles limnimétriques verticales, de pointes
limnimétriques recourbées ou droites, de sondes limnimétri-
f) Longueur du col : 1 % de L.
ques visuelles ou électriques. En cas d’enregistrements en con-
g) Défaut de cylindricité ou de tonicité de la transition à tinu, on utilisera des limnigraphes. Les emplacements des
mesures de charge sont indiqués en 10.2, 11.2 et 12.2.
l’entrée du col : 0,l % de L.
3
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1s0 4359-1983 (FI
8.1.2 Plus la taille du canal jaugeur et la charge correspon- suffisant pour loger les flotteurs des limnigraphes, etc. II est
préférable d’avoir un raccord plutôt trop large que trop étroit,
dante sont petites, plus les erreurs de construction, de réglage
car il est facile d’ajouter ultérieurement une restriction si I’amor-
du zéro et de lecture du dispositif mesureur de charge, même
tissement des ondes à court cycle ne se fait pas convenable-
petits, prennent d’importance relative.
ment. II est généralement suffisant d’avoir une tuyauterie de
100 mm de diamètre pour les mesures de débit in situ. Un dia-
8.2 Puits de mesurage
mètre de 3 mm peut convenir pour les mesures en laboratoire.
8.2.1 II est habituel de mesurer la charge dans un puits de
8.3 Réglage du zéro
mesurage séparé pour réduire les effets des irrégularités super-
ficielles de l’eau. Dans ce cas il est souhaitable également de
mesurer la charge dans le chenal d’approche à des fins de vérifi- 8.3.1 II est essentiel, pour obtenir une bonne précision glo-
cation. bale, d’une part d’avoir un réglage initial précis du zéro des dis-
positifs mesureurs de la charge par rapport au niveau du radier
du col et, d’autre part, de vérifier régulièrement ces réglages
8.2.2 Les puits de mesurage doivent être verticaux et de hau-
dans la suite des opérations.
teur et/ou de profondeur suffisantes pour couvrir toute la
gamme des niveaux d’eau. Dans les installations in situ, ils doi-
vent avoir une hauteur minimale de 0,3 m au-dessus du niveau
8.3.2 Un moyen précis doit être prévu pour vérifier le zéro. Le
maximal escompté. À l’endroit recommandé pour la mesure de
zéro de l’instrument doit être obtenu par référence directe au
la charge le puits doit être raccordé au chenal d’approche par
radier du col et une note du réglage doit être faite dans le che-
une tuyauterie ou une fente.
nal d’approche et dans le puits de mesurage. La vérification du
zéro par rapport au niveau de l’eau (soit en fin d’écoulement ou
juste au début) est sujette à des erreurs sérieuses par suite des
8.2.3 Le puits, la tuyauterie de raccordement ou la fente doi-
effets tensio-actifs et il faut donc l’éviter.
vent chacun être imperméables à l’eau et lorsque le puits est
prévu pour loger le flotteur d’un limnigraphe, il doit être de taille
et de profondeur suffisantes pour permettre la flottaison de ce
flotteur quel que soit le niveau de l’eau. Le flotteur ne doit pas
se trouver à moins de 0,075 m de la paroi du puits.
9 Calcul du débit
8.2.4 La radier de la tuyauterie doit se trouver à au moins
9.1 Équations générales du débit
0,06 m en dessous du niveau le plus bas à enregistrer, affleurer
au ras de la couche limite du chenal d’approche, perpendiculai-
rement à celle-ci. La couche limite du chenal d’approche doit
9.1.1 La théorie de la profondeur critique appuyée par des
être uniforme et lisse (finition équivalant à celle du béton soi-
données expérimentales peut servir à définir les équations de
gneusement fini) sur une distance égale à dix fois le diamètre de
base relatives à un écoulement libre dans une contraction profi-
la tuyauterie à partir de l’axe du raccord. La tuyauterie ne peut
lée. La théorie simple s’applique à un écoulement de fluide
être inclinée par rapport à la paroi que si elle est munie d’un
idéal, sans frottement. Lorsqu’on considère un fluide réel
couvercle ou d’une plaque de température amovible affleurant
comme l’eau, un coefficient supplémentaire doit être ajouté
la paroi et percée de trous, dont les bords ne doivent être ni
dans les mesures pratiques, qu’il soit déterminé par expérience
arrondis ni ébarbés.
ou dérivé par modification de la théorie simple, pour tenir
compte de la formation d’une couche limite. La présente
8.2.5 Une profondeur de réserve doit être prévue dans le puits
Norme internationale définit des méthodes de calcul manuelles
pour empêcher l’échouage des flotteurs sur le fond ou sur les
permettant de déterminer le débit, mais, lorsqu’on considère un
limons ou les débris accumulés. Le puits de mesurage peut
grand nombre de structures, il vaut mieux employer des ordina-
comporter une chambre intermédiaire de dimensions et de pro-
teurs.
portions similaires placée entre lui et le chenal d’approche pour
permettre le dépôt des limons et autres débris à un endroit où il
9.1.2 L’énergie spécifique, E, d’un écoulement dans un che-
est facile de les repérer et de les éliminer.
nal est donnée par :
8.2.6 Le diamètre de la tuyauterie de raccordement ou la lar-
E = Bd + av2/2g . . . (1)
geur de la fente doivent être suffisants pour permettre au
niveau d’eau dans le puits de suivre les fluctuations en hausse
où
ou en baisse de la hauteur de charge sans retard appréciable,
mais aussi suffisamment petits, compte tenu des exigences
d est la profondeur de l’écoulement;
d’entretien, pour amortir les oscillations dues aux ondes à cycle
court.
ii est la vitesse moyenne dans la section;
a est le coefficient tenant compte de la non-uniformité du
8.2.7 II n’est pas possible de fixer de règles strictes pour la
détermination de la taille de la tuyauterie de raccordement car champ des vitesses;
ce paramètre dépend des conditions particulières de I’installa-
/? est le coefficient fonction de la courbure moyenne des
tion considérée : par exemple, si l’emplacement est à découvert
et donc exposé aux vagues, si le diamètre du puits doit être lignes de courant.
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ISO 43594983 [FI
L’équation de continuité est : où
8
b, est la largeur utile du col du canal jaugeur;
Q = Aïï .
(2)
Ne est la hauteur de charge totale utile.
où
Q est le débit total; 9.2.2 On peut alors exprimer l’équation (6) en fonction de h,,
la hauteur de charge utile jaugée en amont de la structure.
A est l’aire de la section transversale d’écoulement, L’équation devient donc, pour les canaux jaugeurs à col rectan-
gulaire :
D’où
. . . (7)
Q &i C,, be h,312
E = j3d + aQ2/2g A2 . . .
(3)
où
On a écoulement critique lorsque E prend une valeur minimale
pour un débit donné Q, la profondeur d et l’aire A correspon-
= (H,lhe13’2 . . .
dante pour une géométrie donnée de la section transversale cl
étant prises comme variables. On peut démontrer que l’énergie
Cv est un coefficient sans dimension tenant compte de
spécifique est minimale quand
l’influence de la vitesse d’approche sur le niveau mesuré en
amont du canal jaugeur. Les hauteurs et largeurs utiles peuvent
2 &A3
=-
. . . être déterminées à partir des valeurs relevées
Q
aw
a) par simple correction empirique (voir 10.4.1, 11.4.1 et
où w est la largeur du plan d’eau
12.4.1)’ ou
b) après considérations théoriques sur la formation de la
9.1.3
Les profils des vitesses observées au cours des expé-
couche limite (voir annexe D).
riences indiquent que la distribution des vitesses est presque
uniforme dans le col d’un canal jaugeur et on peut donc suppo-
ser que a = 1. Si les lignes de courant sont suffisamment 9.2.3 Le même genre de relation peut être obtenu pour les
incurvées, condition observée lorsque le col est de longueur canaux jaugeurs à col trapézoïdal :
supérieure à un certain minimum, p = 1. L’équation de base
définissant un écoulement critique à travers une contraction
profilée est :
où
. . .
Q = (g A;/w,)“~
Cs est un facteur numérique tenant compte de la non-
l’indice c indiquant que le débit est critique.
rectangularité de la section d’écoulement
9.1.4 L’équation (5) n’est pas directement applicable à la déri-
. . .
Cs = j-h H,,lb,) (10)
vée de la relation hauteur/débit car :
est la hauteur de charge totale utile à la section criti-
Hce
que.
a) elle ne tient pas compte de la formation d’une couche
limite se déplaçant moins vite dans le col;
Des méthodes théoriques de calcul et d’étalonnage existent qui
emploient les équations ci-dessus, mais elles sont lourdes à
b) elle est fonction de l’aire et de la largeur de la surface de
manipuler, du fait surtout que Cs dépend de Hce qui diffère de
l’eau au niveau de la section critique dont l’emplacement est
facon significative de la hauteur jaugée h. Le paragraphe Il .5
mal défini, ce qui rend difficile une mesure directe du niveau
donne une autre méthode pour calculer le débit d’aprés I’équa-
d’eau dans cette section.
tion (5).
L’équation de base doit donc être transformée en une équation
plus pratique et corrigée pour tenir compte des effets de cou-
9.2.4 La relation correspondante pour les canaux jaugeurs à
che limite.
col en U est :
. . .
& C,, CU D, h,312
9.2 Calcul du débit à partir de la hauteur de
charge observée
où
9.2.1 Si l’on considère l’écoulement d’un fluide réel dans une
CU est une constante numérique
...
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