ISO 4359:2022
(Main)Flow measurement structures — Rectangular, trapezoidal and U-shaped flumes
Flow measurement structures — Rectangular, trapezoidal and U-shaped flumes
This document specifies methods for the measurement of flow in rivers and artificial channels under steady or slowly varying flow conditions, using certain types of critical-depth flumes (also known as “standing-wave flumes”). A wide variety of flumes has been developed, but only those critical-depth flumes which have received general acceptance after adequate research and field testing, and which therefore do not require in situ calibration, are considered herein. The flow conditions considered are uniquely dependent on the upstream head, i.e. subcritical flow must exist upstream of the flume, after which the flow accelerates through the contraction and passes through its critical depth (see Figure 1). The water level downstream of the structure is low enough to have no influence upon its performance. This document is applicable to three commonly used types of flumes, covering a wide range of applications, namely rectangular-throated, trapezoidal-throated and U-throated. The hydraulic theory behind this document was presented in Reference [7]. This document is not applicable to a form of flume referred to in the literature (sometimes called a “Venturi” flume) in which the flow remains subcritical throughout. NOTE The Venturi form of flume is based on the same principle as a Venturi meter used within a closed conduit system and relies upon gauging the head at two locations and the application of Bernoulli’s energy formula.
Structures de mesure du débit — Canaux jaugeurs à col rectangulaire, à col trapézoïdal et à col en U
Le présent document spécifie les méthodes pour la mesure du débit des rivières et des canaux artificiels à régime permanent ou à variation lente, au moyen de certains types de canaux jaugeurs à profondeur critique (également appelés «canaux jaugeurs à ressaut»). Un grand nombre de canaux jaugeurs a été mis au point, mais le présent document ne considère que les canaux jaugeurs à profondeur critique qui jouissent d'une reconnaissance unanime s'appuyant sur des travaux de recherche adéquats et des essais in situ, et qui n'ont par conséquent pas besoin d'être étalonnés sur place. Les conditions d'écoulement considérées ne dépendent que de la hauteur de charge en amont; il faut donc qu'il existe un écoulement sous-critique en amont du canal jaugeur, puis que l'écoulement s'accélère en passant par la contraction et atteigne sa profondeur critique (voir Figure 1). Le niveau d'eau en aval de la structure doit être suffisamment bas pour ne pas influer sur ses performances. Le présent document s'applique à trois types de canaux jaugeurs couramment utilisés, couvrant une grande gamme d'applications, à savoir les canaux jaugeurs à col rectangulaire, à col trapézoïdal et à col en U. La théorie hydraulique qui sous-tend le présent document a été présentée dans la Référence [7]. Le présent document n'est pas applicable à un type de canal jaugeur mentionné dans la littérature (parfois appelé canal «Venturi») à travers lequel l'écoulement reste sous-critique. NOTE La forme du canal jaugeur Venturi est fondée sur le même principe qu'un débitmètre Venturi utilisé dans un système de conduite fermée et repose sur la mesure de la charge en deux endroits et l'application de la formule de l'énergie de Bernoulli.
General Information
Relations
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Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 4359
Third edition
2022-12
Flow measurement structures —
Rectangular, trapezoidal and U-shaped
flumes
Structures de mesure du débit — Canaux jaugeurs à col rectangulaire,
à col trapézoïdal et à col en U
Reference number
ISO 4359:2022(E)
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Published in Switzerland
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Contents Page
Foreword .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Symbols . 1
5 Flume types and principles of operation . 3
6 Installation .7
6.1 Selection of site . 7
6.2 Installation conditions . 9
6.2.1 General requirements . 9
6.2.2 Flume structure . 9
6.2.3 Approach channel . 10
6.2.4 Downstream conditions . 11
7 Maintenance .11
8 Measurement of head . .11
8.1 General . 11
8.2 Location of head measurement(s) . 11
8.3 Gauge wells .12
8.4 Zero setting .12
9 General formulae for discharge .12
9.1 Discharge based on critical flow in the flume throat .12
9.2 Discharge based on observed upstream head . 14
9.3 Calculation of stage–discharge relationships . 26
9.4 Approach velocity and coefficient of velocity . 27
9.5 Selection of flume size and shape .29
10 Rectangular-throated flume .29
10.1 Description .29
10.2 Location of head measurement section .30
10.3 Provision for modular flow . 30
10.4 Evaluation of discharge for a given observed upstream head .30
10.5 Computation of stage–discharge relationship .34
10.6 Limits of application .34
11 Trapezoidal-throated flumes .35
11.1 Description . 35
11.2 Location of head measurement section . 35
11.3 Provision for modular flow .36
11.4 Evaluation of discharge — Coefficient method .36
11.5 Computation of stage–discharge relationship .39
11.6 Limits of application . 41
12 U-throated (round-bottomed) flumes .42
12.1 Description . 42
12.2 Location of head measurement section . 43
12.3 Provision for modular flow . 43
12.4 Evaluation of discharge — Coefficient method .44
12.5 Computation of stage–discharge relationship .48
12.6 Limits of application .50
13 Uncertainties of flow measurement . .51
13.1 General . 51
13.2 Combining measurement uncertainties . 52
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ISO 4359:2022(E)
13.3 Percentage uncertainty of discharge coefficient u*(C) for critical-depth flumes .54
13.4 Uncertainty budget . 55
14 Example of uncertainty calculations .55
14.1 General . 55
14.2 Characteristics — Gauging structure . 55
14.3 Characteristics — Discharge calculation.56
14.4 Characteristics — Discharge coefficient .56
14.5 Characteristics — Gauged head instrumentation .56
14.6 Characteristics — Throat width . 57
14.7 Overall uncertainty in discharge . 57
Annex A (informative) Simplified head discharge relationships for flumes .59
Annex B (informative) Introduction to measurement uncertainty .64
Annex C (informative) Sample measurement performance for use in hydrometric worked
examples .73
Annex D (informative) Spreadsheets for use with this document .76
Bibliography .79
iv
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ISO 4359:2022(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, Subcommittee SC 2,
Flow measurement structures.
This third edition cancels and replaces the second edition (ISO 4359:2013), which has been technically
revised. It also incorporates the Amendment ISO 4359:2013/Amd.1:2017.
The main changes are as follows:
— 6.1.2 a) and 6.2.3.2 b) have been revised with respect to the flume approach conditions.
— Errors that were introduced in Amendment ISO 4359:2013/Amd.1:2017 have been corrected.
— An acknowledgement has been added that some of the specified tolerances can be difficult to achieve
in some installations.
— The spreadsheets have been revised to provide further advice if parameters are outside the
applicability range of the curve-fitting formulae for the relative boundary layer thickness (δ*/L).
— The first edition of this document (ISO 4359:1983) had an additional limitation requiring that the
gauged head, h, be not more than 2 m. However, there is no technical justification for this restriction,
so it does not appear in the second and third editions of this document.
— In 11.4.7 and 12.4.7, although the relationship of C with mH /b varies very slightly with flume
s e e
geometry and the value of the boundary layer displacement thickness, this variation was disregarded
when applying the coefficient method in the first edition of this document, as a single graphical
relationship was provided for trapezoidal flumes. This approximation has been remedied in the
second and third editions of this document.
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.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 4359:2022(E)
Flow measurement structures — Rectangular, trapezoidal
and U-shaped flumes
1 Scope
This document specifies methods for the measurement of flow in rivers and artificial channels under
steady or slowly varying flow conditions, using certain types of critical-depth flumes (also known as
“standing-wave flumes”). A wide variety of flumes has been developed, but only those critical-depth
flumes which have received general acceptance after adequate research and field testing, and which
therefore do not require in situ calibration, are considered herein.
The flow conditions considered are uniquely dependent on the upstream head, i.e. subcritical flow
must exist upstream of the flume, after which the flow accelerates through the contraction and passes
through its critical depth (see Figure 1). The water level downstream of the structure is low enough to
have no influence upon its performance.
This document is applicable to three commonly used types of flumes, covering a wide range of
applications, namely rectangular-throated, trapezoidal-throated and U-throated. The hydraulic theory
behind this document was presented in Reference [7].
This document is not applicable to a form of flume referred to in the literature (sometimes called a
“Venturi” flume) in which the flow remains subcritical throughout.
NOTE The Venturi form of flume is based on the same principle as a Venturi meter used within a closed
conduit system and relies upon gauging the head at two locations and the application of Bernoulli’s energy
formula.
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
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 772 apply.
ISO and IEC maintain terminology databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at https:// www .electropedia .org/
4 Symbols
Symbol Quantity Unit of measurement
2
A area of cross-section of flow m
B width of approach channel (width at bed if trapezoidal) m
b width of flume throat (width at bed if trapezoidal) m
C overall coefficient of discharge (rectangular flumes) non-dimensional
1
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Symbol Quantity Unit of measurement
C coefficient of contraction non-dimensional
c
C coefficient of discharge non-dimensional
D
C shape coefficient for trapezoidal-throated and U-throated flumes non-dimensional
s
C coefficient allowing for the effect of approach velocity non-dimensional
v
D diameter of base of U-throated flume m
d depth of flow m
E specific energy (relative to local invert) m
Fr Froude number non-dimensional
2
g gravitational acceleration m/s
H total head (relative to a specified datum, such as a flume invert) m
H correction to the total head m
*
h gauged head m
k equivalent sand roughness of surface, after Nikuradse mm
s
L length of prismatic section of the contraction at a flume m
L length of bellmouth entrance m
1
L length of slope (if present) between throat and downstream stilling
2
m
basin or channel floor
L length of stilling basin (if present) m
3
m side-slope (m horizontal to 1 vertical) non-dimensional
n number of measurements in series non-dimensional
P wetted perimeter of flow cross-section m
p height of flume invert above the invert of the approach channel m
3
Q Discharge m /s
R instrument range in uncertainties evaluation non-dimensional
Re Reynolds number non-dimensional
r radius of hump m
p
R radius of bellmouth entrance m
1
S standard deviation —
standard error of the mean —
S
u(E) relative datum uncertainty in uncertainties evaluation m
u*(Q) overall percentage uncertainty in the determination of discharge ex-
68
non-dimensional
pressed as a percentage standard deviation at 68 % confidence limits
u*(b) percentage uncertainty in b (or D) non-dimensional
u*(C) percentage uncertainty in the combined coefficient value non-dimensional
u*(h) percentage uncertainty in h non-dimensional
u*(m) percentage uncertainty in m non-dimensional
average velocity through a cross-section, defined by Q/A m/s
V
w water surface width m
α kinetic energy correction coefficient (taking into account non-uniform-
non-dimensional
ity of velocity distribution)
β coefficient dependent on mean curvature of stream lines non-dimensional
γ, φ, ψ coefficients in the uncertainty computation —
δ* boundary layer displacement thickness m
η a numerical coefficient related to the sideslope angle in trapezoidal
non-dimensional
flumes
2
ν kinematic viscosity of the fluid m /s
2
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Symbol Quantity Unit of measurement
θ semi-angle subtended at the centre of curvature of the invert of a
radians
U-throated flume between the water surface and the vertical
σ semi-angle subtended at the centre of curvature of the invert of a
radians
U-throated flume between the water surface and the horizontal
Subscripts
a values in approach channel
c values at critical flow
d values downstream of the flume
e effective values after making allowance for boundary layer effects
1 values assuming an ideal frictionless fluid
M maximum value
5 Flume types and principles of operation
5.1 The flumes covered by this document are often known as “long-throated” or “critical-depth”
flumes and rely fundamentally on the occurrence of critical flow in the flume throat. When this occurs,
there is a unique relationship, for a given flume geometry, between the upstream head and the discharge,
that is independent of the conditions downstream of the flume throat. Figure 1 shows a simplified
sketch of where the critical depth typically occurs in a critical depth flume and the consequent water
surface profile through a long-throated trapezoidal flume, together with key hydraulic and geometrical
parameters. Typical field installations of the three types of flumes covered by this document are shown
in Figure 2. The three types are:
a) rectangular-throated;
b) trapezoidal-throated;
c) U-throated, i.e. round-bottomed.
Site conditions are important and Figure 3 shows acceptable velocity profiles in the approach channel.
3
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a) Longitudinal section
b) Section in approach channel upstream from throat
c) Section at downstream end of throat
Key
1 total energy line
2 typical flow profile
3 edge of boundary layer displacement thickness
δ* has been exaggerated.
NOTE Adapted from Figure 8.1 in Reference [6].
Figure 1 — Trapezoidal-throated flume showing key geometrical parameters, water surface
profile and development of boundary layer displacement thickness
4
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a) Rectangular-throated b) Trapezoidal-throated c) U-throated
flume flume flume
Figure 2 — Examples of rectangular-throated, trapezoidal-throated and U-throated flumes
a)
b)
c)
Figure 3 — Examples of typical dimensionless velocity distributions in approach channels
5.2 Because the flume design is based on critical flow, this document is largely based on fundamental
hydraulic theory, without the need for the large-scale volumetric testing that has been used to derive
the coefficients for other forms of flow measurement structure. In order to obtain critical flow within
the throat of the flume, the following conditions shall be satisfied:
5
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a) The throat of the flume shall be long enough for the flow to be virtually parallel with the flume
invert, so that hydrostatic pressure conditions occur at the control section.
b) The entrance to the flume throat shall be shaped so that there are virtually no energy losses
between the point where the head is gauged and the point where critical flow occurs.
c) The flume throat shall constrict the channel severely enough to raise the energy level in the throat
sufficiently high above the energy level downstream to ensure that the flume is “modular”.
5.3 Figure 2 shows examples of flow in rectangular-throated, trapezoidal-throated and U-throated
flumes. The choice of flume type from these three depends upon several factors, such as the range of
discharge to be measured, the accuracy required, the head available and whether or not the flow carries
sediment that is liable to accrete. It can be observed that, in comparison with weirs, flumes provide
a lesser obstruction to the passage of sediment, so are less likely to cause significant accretion of
sediment (which can affect the approach channel geometry at the flow gauging location). The graphs in
Annex A provide a means of quickly comparing the idealized performance of a range of flume designs, to
aid a preliminary choice of the size and form of flume needed to deliver the required discharge capacity
and stage–discharge relationship.
5.4 The rectangular-throated flume is the simplest to construct. It generally proves necessary to raise
the invert of the flume throat above the bed of the channel upstream, in order to generate a constriction
that is sufficiently severe to allow low flows to be gauged. However, this can result in a regime of cyclic
sediment accretion and erosion upstream, which would affect the accuracy and consistency of gauging.
5.5 The trapezoidal-throated flume is more appropriate where a wide range of discharge is to be
measured with consistent accuracy. This shape of throat is also more likely to be suitable where it is
desirable to produce a particular stage–discharge relationship. In some cases, it is not necessary to
raise the invert of the throat above the approach channel invert when using a trapezoidal-throated
flume, so reducing the risk of upstream sediment accretion.
5.6 The U-throated flume is useful for installation in a U-shaped channel or where the flow is from a
circular-section conduit. It has found particular application in sewers and at sewage works.
5.7 The detailed theory for the critical-depth flume is given in Clauses 9 to 12, but is introduced
here in simplified form, based on the assumption of a uniform velocity across the flow section and
disregarding boundary layer effects. The basic discharge formula for a critical-depth flume can be
derived from the general energy formula, as shown by Formula (1):
22
V Q
Hd=+ =+d (1)
2
2g
2gA
where
H is the total head above the flume invert;
d is the depth of flow;
is the average velocity through the section (= Q/A);
V
Q is the discharge;
A is the area of the flow cross-section;
g is the gravitational acceleration.
6
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By differentiating the energy in Formula (1) with respect to depth, it can be shown by Formula (2) that,
for critical flow:
3
gA
c
Q= (2)
w
c
where w is the water surface width and the subscript “c” refers to conditions at the critical-flow section.
Substituting Formula (2) into Formula (1) and disregarding any energy losses between the gauging
section and the critical-flow section, Formula (3) is obtained:
A
c
Hd=+ (3)
c
2w
c
5.8 In general, Formulae (2) and (3) are solved alongside each other for successive values of depth
d (with the corresponding values of area and surface width) to obtain the relationship between H and
c
Q, but for the special case of a flume with a rectangular throat (see 9.2.2), they can be combined to
produce the explicit relationship, as given by Formula (4):
2 2g
15,
Q= bH (4)
3 3
5.9 This is readily recognizable as the same formula that applies (for an ideal fluid) for the flow over
a round-nosed horizontal-crested weir. In order to extend the use of this formula, three additional
coefficients may be introduced, resulting in a generalized formula for long-throated critical-depth
flumes, as given by Formula (5):
2 2g
15,
Q= CC Cbh (5)
Ds v
3 3
where
C is a discharge coefficient that takes account of the non-ideal fluid properties, in particular the
D
effect of the boundary layer in the throat;
C is a shape coefficient, to allow for the effect of a non-rectangular flow section in the throat;
s
C is a velocity coefficient, to allow the upstream gauged head, h, to be used in place of the total
v
head or specific energy, H.
5.10 Formulae for these coefficients are given in Clauses 9 to 12 and generally require an iterative
approach to be adopted.
6 Installation
6.1 Selection of site
6.1.1 The flume s
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 4359
Troisième édition
2022-12
Structures de mesure du débit —
Canaux jaugeurs à col rectangulaire, à
col trapézoïdal et à col en U
Flow measurement structures — Rectangular, trapezoidal and
U-shaped flumes
Numéro de référence
ISO 4359:2022(F)
© ISO 2022
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DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
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être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
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CH-1214 Vernier, Genève
Tél.: +41 22 749 01 11
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Web: www.iso.org
Publié en Suisse
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Sommaire Page
Avant-propos .v
1 Domaine d'application .1
2 Références normatives .1
3 Termes et définitions . 1
4 Symboles . 2
5 Types de canaux jaugeurs et principes de fonctionnement . 3
6 Installation .8
6.1 Choix de l'emplacement . 8
6.2 Conditions d'installation . 9
6.2.1 Exigences générales . 9
6.2.2 Structure du canal jaugeur . 9
6.2.3 Chenal d'approche . 10
6.2.4 Conditions en aval . 11
7 Entretien .11
8 Mesurage de la charge . .12
8.1 Généralités .12
8.2 Point(s) de mesure de la charge . 12
8.3 Puits du limnigraphe .12
8.4 Réglage du zéro . 13
9 Formules générales du débit .13
9.1 Débit fondé sur le débit critique dans le col du canal jaugeur .13
9.2 Débit fonction de la charge observée en amont . 15
9.3 Calcul de la relation hauteur/débit . 27
9.4 Vitesse d'approche et coefficient de vitesse . 27
9.5 Sélection de la taille et de la forme du canal jaugeur .29
10 Canal jaugeur à col rectangulaire.29
10.1 Description .29
10.2 Emplacement de la section de mesure de la charge .30
10.3 Dispositions intéressant les écoulements modulaires .30
10.4 Évaluation du débit pour une hauteur de charge observée donnée . 31
10.5 Calcul de la relation hauteur/débit .34
10.6 Limites d'application . 35
11 Canaux jaugeurs à col trapézoïdal .36
11.1 Description . 36
11.2 Emplacement de la section de mesure de la charge .36
11.3 Dispositions intéressant les écoulements modulaires .36
11.4 Évaluation du débit — Méthode des coefficients . 37
11.5 Calcul de la relation hauteur/débit .40
11.6 Limites d'application . 42
12 Canaux jaugeurs à col en U (à fond arrondi) .43
12.1 Description . 43
12.2 Emplacement de la section de mesure de la charge .44
12.3 Dispositions intéressant les écoulements modulaires .44
12.4 Évaluation du débit — Méthode des coefficients . 45
12.5 Calcul de la relation hauteur/débit .49
12.6 Limites d'application . 51
13 Incertitudes relatives à la mesure de débit .52
13.1 Généralités . 52
13.2 Combinaison d'incertitudes de mesure . 53
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ISO 4359:2022(F)
13.3 Pourcentage d'incertitude du coefficient de débit u*(C) pour les canaux jaugeurs
à profondeur critique .55
13.4 Bilan d'incertitude .56
14 Exemples de calculs d'incertitude .56
14.1 Généralités .56
14.2 Caractéristiques — Structure de jaugeage .56
14.3 Caractéristiques — Calculs de débit . 57
14.4 Caractéristiques — Coefficient de débit . 57
14.5 Caractéristiques — Instrumentation de charge mesurée . 57
14.6 Caractéristiques — Largeur du col .58
14.7 Incertitude globale sur le débit .58
Annexe A (informative) Relations hauteur/débit simplifiées pour les canaux jaugeurs.60
Annexe B (informative) Introduction à l'incertitude de mesure .65
Annexe C (informative) Performance des essais de mesure à utiliser à titre d'exemple
en hydrométrie .74
Annexe D (informative) Tableurs à utiliser avec le présent document .77
Bibliographie .80
iv
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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 www.iso.org/avant-propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 113, Hydrométrie, sous-comité SC 2,
Structures mesurant le débit.
Cette troisième édition annule et remplace la deuxième édition (ISO 4359:2013), qui a fait l'objet d'une
révision technique. Elle incorpore également l'Amendement ISO 4359:2013/Amd.1:2017.
Les principales modifications sont les suivantes:
— les paragraphes 6.1.2 a) et 6.2.3.2 b) ont été révisés au regard des conditions d'approche des canaux
jaugeurs;
— les erreurs introduites dans l'Amendement ISO 4359:2013/Amd.1:2017 ont été corrigées;
— une mention a été ajoutée reconnaissant que certaines des tolérances spécifiées peuvent être
difficiles à obtenir dans certaines installations;
— les feuilles de calcul ont été révisées afin de fournir des conseils supplémentaires si les paramètres
sont en dehors de la plage d'applicabilité des formules d'ajustement de courbe pour l'épaisseur
relative de la couche limite (δ*/L);
— la première édition du présent document (ISO 4359:1983) donnait une limitation supplémentaire
exigeant que la hauteur de charge, h, ne dépasse pas 2 m. Il n'y a toutefois pas de justification
technique à cette restriction; elle n'apparaît donc pas dans les deuxième et troisième éditions du
présent document;
— en 11.4.7 et 12.4.7, bien que la relation de C avec mH /b varie très légèrement en fonction de la
s e e
géométrie du canal et de la valeur de l'épaisseur du déplacement de la couche limite, cette variation
n'a pas été prise en compte lors de l'application de la méthode des coefficients dans la première
v
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édition du présent document, car une seule relation graphique était fournie pour les canaux jaugeurs
trapézoïdaux. Cette approximation a été rectifiée dans les deuxième et troisième éditions du présent
document.
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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NORME INTERNATIONALE ISO 4359:2022(F)
Structures de mesure du débit — Canaux jaugeurs à col
rectangulaire, à col trapézoïdal et à col en U
1 Domaine d'application
Le présent document spécifie les méthodes pour la mesure du débit des rivières et des canaux artificiels
à régime permanent ou à variation lente, au moyen de certains types de canaux jaugeurs à profondeur
critique (également appelés «canaux jaugeurs à ressaut»). Un grand nombre de canaux jaugeurs a été
mis au point, mais le présent document ne considère que les canaux jaugeurs à profondeur critique
qui jouissent d'une reconnaissance unanime s'appuyant sur des travaux de recherche adéquats et des
essais in situ, et qui n'ont par conséquent pas besoin d'être étalonnés sur place.
Les conditions d'écoulement considérées ne dépendent que de la hauteur de charge en amont; il faut donc
qu'il existe un écoulement sous-critique en amont du canal jaugeur, puis que l'écoulement s'accélère en
passant par la contraction et atteigne sa profondeur critique (voir Figure 1). Le niveau d'eau en aval de
la structure doit être suffisamment bas pour ne pas influer sur ses performances.
Le présent document s'applique à trois types de canaux jaugeurs couramment utilisés, couvrant une
grande gamme d'applications, à savoir les canaux jaugeurs à col rectangulaire, à col trapézoïdal et à col
en U. La théorie hydraulique qui sous-tend le présent document a été présentée dans la Référence [7].
Le présent document n'est pas applicable à un type de canal jaugeur mentionné dans la littérature
(parfois appelé canal «Venturi») à travers lequel l'écoulement reste sous-critique.
NOTE La forme du canal jaugeur Venturi est fondée sur le même principe qu'un débitmètre Venturi utilisé
dans un système de conduite fermée et repose sur la mesure de la charge en deux endroits et l'application de la
formule de l'énergie de Bernoulli.
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils 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
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et les définitions de l'ISO 772 ainsi que les suivants
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 https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse https:// www .electropedia .org/
1
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ISO 4359:2022(F)
4 Symboles
Symbole Grandeur Unité de mesure
2
A aire de la section mouillée m
B largeur du chenal d'approche (largeur au niveau du lit en cas de canal m
jaugeur trapézoïdal)
b largeur du col du canal jaugeur (au niveau du lit en cas de canal jaugeur m
trapézoïdal)
C coefficient global de débit (canal jaugeur rectangulaire) sans dimension
C coefficient de contraction sans dimension
c
C coefficient de débit sans dimension
D
C facteur de forme des canaux jaugeurs à col trapézoïdal et à col en U sans dimension
s
C coefficient tenant compte de l'effet de la vitesse d'approche sans dimension
v
D diamètre de base des canaux jaugeurs à col en U m
d profondeur de l'écoulement m
E énergie spécifique (relative au radier local) m
Fr nombre de Froude sans dimension
2
g accélération due à la pesanteur m/s
H hauteur de charge totale m
H correction apportée à la hauteur de charge totale m
*
h charge mesurée m
k équivalent de rugosité de la surface par rapport au sable, d'après mm
s
Nikuradse
L longueur de la section prismatique de la contraction du canal jaugeur m
L longueur de l'évasement à l'entrée m
1
L longueur de la pente (le cas échéant) entre le col et le bassin de m
2
tranquillisation ou le fond du chenal en aval
L longueur du bassin de tranquillisation (le cas échéant) m
3
m inclinaison des parois (m horizontal sur 1 vertical) sans dimension
n nombre de mesures d'une série sans dimension
P périmètre mouillé de la section transversale m
p hauteur du radier du canal jaugeur par rapport au radier du chenal m
d'approche
3
Q débit m /s
R plage d'instruments dans l'évaluation de l'incertitude sans dimension
Re nombre de Reynolds sans dimension
r rayon de la dénivellation m
p
R rayon de l'évasement à l'entrée m
1
S écart-type —
erreur-type de la moyenne —
S
u(E) incertitude relative de référence pour l'évaluation de l'incertitude m
u*(Q) pourcentage global d'incertitude dans la détermination du débit sans dimension
68
exprimé en pourcentage de l'écart-type pour une limite de confiance
de 68 %
u*(b) incertitude de pourcentage en b (ou D) sans dimension
u*(C) incertitude de pourcentage sur la valeur combinée du coefficient sans dimension
u*(h) incertitude de pourcentage en h sans dimension
u*(m) incertitude de pourcentage en m sans dimension
2
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Symbole Grandeur Unité de mesure
vitesse moyenne à travers une section transversale, définie par Q/A m/s
V
w largeur de la surface de l'eau m
α coefficient de correction de l'énergie cinétique (tenant compte de sans dimension
la distribution non uniforme des vitesses)
β coefficient fonction de la courbure moyenne des lignes de courant sans dimension
γ, φ, ψ coefficients dans le calcul de l'incertitude —
δ* épaisseur de déplacement de la couche limite m
η coefficient numérique lié à l'angle d'inclinaison des parois dans sans dimension
les canaux jaugeurs trapézoïdaux
2
ν viscosité cinématique du fluide m /s
θ demi-arc sous-tendu au centre de courbure du radier d'un canal radians
jaugeur à col en U entre la surface de l'eau et la verticale
σ demi-arc sous-tendu au centre de courbure du radier d'un canal radians
jaugeur à col en U entre la surface de l'eau et l'horizontale
Indices
a valeurs dans le chenal d'approche
c valeurs à débit critique
d valeurs en aval du canal jaugeur
e valeurs effectives tenant compte des effets de couche limite
1 valeurs dans l'hypothèse d'un fluide idéal sans frottement
M valeur maximale
5 Types de canaux jaugeurs et principes de fonctionnement
5.1 Les canaux couverts par le présent document sont souvent appelés canaux «à col long» ou «à
profondeur critique» et reposent fondamentalement sur l'apparition d'un débit critique dans le col
du canal jaugeur. Lorsque cela se produit, il existe une relation unique, pour une géométrie de canal
jaugeur donnée, entre la hauteur de charge en amont et le débit, qui est indépendante des conditions
en aval du col du canal. La Figure 1 montre un croquis simplifié de l'endroit où la profondeur critique
apparaît typiquement dans un canal jaugeur à profondeur critique et le profil de la surface de l'eau qui
en résulte à travers un canal jaugeur trapézoïdal à long col, ainsi que les paramètres hydrauliques et
géométriques clés. Les installations types sur le terrain des trois types de canaux jaugeurs couverts par
le présent document sont représentées à la Figure 2. Les trois types sont les suivants:
a) à col rectangulaire;
b) à col trapézoïdal;
c) à col en U, c'est-à-dire à fond arrondi.
Les conditions du site sont importantes et la Figure 3 montre des profils de vitesse acceptables dans le
chenal d'approche.
3
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a) Section longitudinale
b) Section du chenal d'approche en amont du col
c) Section en aval à l'extrémité du col
Légende
1 ligne d'énergie totale
2 profil de débit type
3 épaisseur de déplacement du bord de la couche limite
δ* a été exagérée.
NOTE Adaptée de la Figure 8.1 de la Référence [6].
Figure 1 — Canal jaugeur à col trapézoïdal montrant les paramètres géométriques clés, le profil
de la surface de l'eau et le développement de l'épaisseur de déplacement de la couche limite
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a) Canal jaugeur à col b) Canal jaugeur à col c) Canal jaugeur à col
rectangulaire trapézoïdal en U
Figure 2 — Exemples de canaux jaugeurs à col rectangulaire, à col trapézoïdal et à col en U
a)
b)
c)
Figure 3 — Exemples types de distributions de vitesses sans dimension dans les chenaux
d'approche
5.2 La conception du canal jaugeur étant fondée sur le débit critique, le présent document repose
en grande partie sur la théorie hydraulique fondamentale, sans qu'il soit nécessaire de procéder à des
essais volumétriques à grande échelle tels que ceux utilisés pour déterminer les coefficients d'autres
5
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formes de structures de mesure du débit. Afin d'obtenir un débit critique dans le col du canal jaugeur,
les conditions suivantes doivent être remplies:
a) le col du canal jaugeur doit être suffisamment long pour que l'écoulement soit pratiquement
parallèle au radier du canal, de sorte que des conditions de pression hydrostatique se produisent
dans la section de contrôle;
b) l'entrée du canal jaugeur doit avoir une forme telle qu'il n'y ait pratiquement aucune perte d'énergie
entre le point où la hauteur de charge est mesurée et le point où le débit critique se produit;
c) le col du canal jaugeur doit restreindre suffisamment le canal pour que le niveau d'énergie dans le
col soit suffisamment élevé par rapport au niveau d'énergie en aval, afin que le canal jaugeur soit
«modulaire».
5.3 La Figure 2 donne des exemples d'écoulement dans des canaux jaugeurs à col rectangulaire, à col
trapézoïdal et à col en U. Le choix du type de canal jaugeur parmi ces trois types dépend de plusieurs
facteurs, tels que la gamme des débits à mesurer, la précision requise, la hauteur de charge disponible
et si l'écoulement transporte ou non des sédiments susceptibles de s'accumuler. Il peut être observé
que, par rapport aux déversoirs, les canaux jaugeurs présentent une plus faible obstruction au passage
des sédiments et sont donc moins susceptibles d'entraîner une accumulation significative de sédiments
(ce qui peut avoir une incidence sur la géométrie du chenal d'approche au point de jaugeage du débit).
Les graphiques de l'Annexe A offrent un moyen de comparer rapidement les performances idéales d'une
gamme de conceptions de canaux jaugeurs, afin de faciliter le choix préliminaire de la taille et de la
forme du canal jaugeur nécessaire pour fournir la capacité de débit et la relation hauteur/débit requises.
5.4 Le canal jaugeur à col rectangulaire est le plus simple à construire. Il s'avère généralement
nécessaire d'élever le radier du canal jaugeur au-dessus du lit du canal en amont, afin de générer un
étranglement suffisamment important pour permettre le jaugeage des faibles débits. Toutefois, cela
peut entraîner un régime d'accumulation et d'érosion cyclique des sédiments en amont, ce qui aura une
incidence sur la précision et la cohérence du jaugeage.
5.5 Le canal jaugeur à col trapézoïdal est plus approprié lorsqu'une large gamme de débits doit être
mesurée avec une précision constante. Cette forme de col est également plus susceptible de convenir
lorsqu'il est souhaitable de produire une relation hauteur/débit particulière. Dans certains cas, il n'est
pas nécessaire d'élever le radier du col au-dessus du radier du chenal d'approche lorsqu'un canal jaugeur
à col trapézoïdal est utilisé, ce qui réduit le risque d'accumulation de sédiments en amont.
5.6 Le canal jaugeur à col en U est utile pour les installations dans les chenaux à fond arrondi ou
lorsque l'écoulement provient d'une conduite à section circulaire. On l'utilise en particulier dans les
égouts et installations de traitement des eaux résiduaires.
5.7 L'aspect théorique du canal jaugeur à profondeur critique est détaillé dans les Articles 9 à 12. Il
est présenté ici sous une forme simplifiée, prenant pour hypothèse une vitesse uniforme dans la section
d'écoulement et sans tenir compte des effets de la couche limite. L
...
Questions, Comments and Discussion
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