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
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 2022
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Published in Switzerland
ii
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
iii
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
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
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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.
v
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
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
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
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
L length of slope (if present) between throat and downstream stilling
m
basin or channel floor
L length of stilling basin (if present) m
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
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
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-
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
ν kinematic viscosity of the fluid m /s
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.
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
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:
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):
V Q
Hd=+ =+d (1)
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.
By differentiating the energy in Formula (1) with respect to depth, it can be shown by Formula (2) that,
for critical flow:
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 shall be located in a straight section of channel, avoiding local obstructions,
roughness or unevenness of the bed.
6.1.2 A preliminary study shall be made of the physical and hydraulic features of the proposed site,
to check that it conforms (or can be constructed or modified so as to conform) to the requirements
necessary for measurement of discharge by a flume. Particular attention should be paid to the following
features in selecting the site:
a) The availability of a sufficient straight length of approach channel.
b) The acceptable degree of uniformity of the existing velocity distribution (see Figure 3).
c) The avoidance of a steep channel, the characteristics of which would induce supercritical flow.
d) The effects of any raised upstream water levels due to the measuring structure.
e) Conditions downstream, including such influences as tides, confluences with other streams, sluice
gates, mill dams and other controlling features which can cause submerged flow.
f) The impermeability of the ground on which the structure is to be founded and the necessity for
piling, grouting or other means of controlling seepage.
g) The necessity for floodbanks, to confine the maximum discharge to the channel.
h) The stability of the banks, and the necessity for trimming and/or revetment in natural channels.
i) The clearance of rocks or boulders from the bed of the approach channel.
j) Wind, which can have a considerable effect on the flow in a river, weir or flume, especially when
these are wide and the head is small and when the prevailing wind is in a transverse direction
(which would introduce a bias whose direction would depend on whether the gauge were at the
windward or leeward side of the approach channel).
6.1.3 If the site does not possess the characteristics necessary for satisfactory measurement, the site
shall be rejected unless suitable improvements are practicable.
6.1.4 If an inspection of the stream shows that the existing velocity distribution is reasonably uniform,
then it may be assumed that the velocity distribution will remain satisfactory after the construction of
the flume.
6.1.5 If the existing velocity distribution is markedly non-uniform and no other site for the flume is
feasible, due consideration shall be given to checking the distribution after installation of the flume and
to improving it if necessary.
6.1.6 Several methods are available for obtaining a more precise indication of irregular velocity
distribution: velocity rods, floats or dye observations can be used in small channels, the latter being
useful in checking conditions at the bottom of the channel. A complete and quantitative assessment of
velocity distribution may be made by means of a current meter and other point velocity measurements.
NOTE Information about the use of current meters is given in ISO 748.
The user should confirm that the dye material used is acceptable for flow measurement purposes
within a natural channel in the country of operation.
6.1.7 Figure 3 gives typical examples of velocity distributions in channels of varying shape that can
be taken as acceptable for flow measurement purposes.
6.1.8 Flumes can act as obstacles to the movement of fish and other aquatic species. Care should
therefore be taken to ensure that the installation of gauging structures such as flumes does not have a
detrimental effect on the aquatic ecology where this can be an issue.
NOTE National or supranational legislation or regulations, such as the European Parliament EU Water
Framework Directive (Directive 2000/60/EC), can apply to the gauging structure.
Where it is possible that the movement of aquatic life can be compromised by the installation of a flow
measurement structure, this should be reflected in the design. Alternatively, a fishpass in accordance
with ISO 26906 should be installed.
6.1.9 Appropriate legislation should be identified before a site for a measuring weir is chosen.
6.2 Installation conditions
6.2.1 General requirements
6.2.1.1 The complete measuring installation consists of an approach channel, a measuring structure
and a downstream channel. The conditions of each of these three components affect the overall accuracy
of the measurements.
6.2.1.2 Installation requirements include features such as the surface finish of the flume, the cross-
sectional shape of channel, the channel roughness and the influence of control devices upstream or
downstream of the gauging structure.
6.2.1.3 The distribution and direction of velocity have an important influence on the performance of
the flume, these factors being determined by the features mentioned above.
6.2.1.4 Once a gauging flume has been installed, the user shall prevent any change that can affect the
discharge characteristics.
6.2.2 Flume structure
6.2.2.1 The structure shall be rigid and watertight and capable of withstanding flood flow conditions
without distortion or fracture, from outflanking or from downstream erosion. The axis shall be in line
with the direction of flow of the upstream channel, and the geometry shall conform to the dimensions
given in Clauses 10, 11 and 12.
6.2.2.2 The surfaces of the flume throat and the immediate approach channel shall be smooth. They
shall be constructed in concrete with a smooth cement finish or surfaced with a smooth non-corrodible
material. In laboratory installations, the finish shall be equivalent to rigid plastic, rolled sheet metal or
planed, sanded and painted timber. The surface finish is of particular importance within the prismatic
part of the throat but can be relaxed a distance along the profile 0,5H upstream and downstream of
max
the throat proper.
The user should confirm that the building materials used in the construction of natural channels are
acceptable in the country of operation.
6.2.2.3 In order to minimize the uncertainty in the discharge, the following tolerances are acceptable,
providing that no tolerance with respect to alignment or dimension is required to be less than 0,001 m:
a) on the bottom width of the throat, 0,2 % of this width with an absolute maximum of 0,01 m;
b) on deviation from a plane of the plane surfaces in the throat, 0,1 % of L;
c) on the width between vertical surfaces in the throat, 0,2 % of this width with a maximum of 0,01 m;
d) on the average longitudinal and transverse slopes of the base of the throat, 0,1 %;
e) on a slope of inclined surfaces in the throat, 0,1 %;
f) on a length of the throat, 1 % of L;
g) on deviation from a cylindrical or a conical surface in the entrance transition to the throat, 0,1 %
of L;
h) on deviation from a plane of the plane surfaces in the entrance transition to the throat, 0,1 % of L;
i) on deviation from a plan of the plane surface in the exit transition from the throat, 0,3 % of L;
j) on other vertical or inclined surfaces, deviation from a plane or curve, 1 %;
k) on deviation from a plane of the bed of the lined approach channel, 0,1 % of L.
NOTE It is possible that some of the dimensional and gradient accuracies can be relaxed without significant
effect on the flow measurement accuracy of critical depth flumes.
6.2.2.4 The structure shall be measured on completion, and average values of relevant dimensions and
their standard deviations at 68 % confidence limits computed. The former shall be used for computation
of discharge and the latter shall be used to obtain the overall uncertainty in the determination of
discharge.
6.2.3 Approach channel
6.2.3.1 On all installations the flow in the approach channel shall be free from disturbance and shall
have a velocity distribution as uniform as reasonably practicable over the cross-sectional area. Figure 3
shows typical dimensionless velocity distributions in rectangular and trapezoidal channels, which are
relevant in site selection. For a given shape of channel, the velocity distribution should be reasonably
similar to one of those presented in Figure 3. This can usually be verified by inspection or measurement.
In the case of natural streams or rivers, this can only be attained by having a long straight approach
channel free from projections into the flow.
6.2.3.2 The following are general recommendations and requirements related to the approach
channel:
a) Any alteration in the flow conditions owing to the construction of the flume should be considered.
For example, there can be a build-up of shoals or debris upstream of the structure, which in time
affects the flow conditions. Any likely consequential changes in the water level therefore need to be
taken into account in the design of gauging stations.
b) In an artificial channel, the cross-section shall be uniform and the channel shall be straight for
a length equal to at least five times its water-surface width upstream of the head measurement
location, but where practicable in new installations for a length of 10 times the water-surface width
upstream of the flume throat.
c) In a natural stream or river, the cross-section shall be reasonably uniform and the channel shall be
straight for a sufficient length to ensure a reasonably uniform velocity distribution.
d) If the entry to the approach channel is through a bend, or if the flow is discharged into the channel
through a conduit or a channel of smaller cross-section, or at an angle, then a longer length of
straight approach channel can be required to achieve a reasonably uniform velocity distribution.
e) Vanes to straighten the flow shall not be installed closer to the points of measurement than a
distance 10 times the maximum head to be measured.
f) Under certain conditions, a standing wave can occur upstream of the gauging flume, e.g. if the
approach channel is steep. Provided that this wave is at a distance of not less than 30 times the
maximum head upstream, flow measurement is feasible, subject to confirmation that a reasonably
uniform velocity distribution exists at the gauging station and that the Froude number in this
section is no more than 0,6. Ideally, high Froude numbers should be avoided in the approach channel
for accurate flow measurement. If a standing wave occurs within this distance, the approach
conditions and/or the flume shall be modified.
6.2.4 Downstream conditions
6.2.4.1 The channel downstream of the structure is usually of no importance as such if the flume has
been so designed that the flow is modular under all operating conditions. A downstream gauge shall be
provided to measure tailwater levels to determine if and when drowned flow occurs.
6.2.4.2 If downstream scouring (which can lead to instability of the structure) is anticipated, then
particular measures to prevent this may be necessary.
7 Maintenance
7.1 Maintenance of the measuring structure and the approach channel is important, in order to
secure accurate continuous measurements.
7.2 The approach channel shall be kept free of silt, vegetation and obstructions that can have
deleterious effects on flow conditions specified for the standard installation. The float well and the
entry from the approach channel shall also be kept clean and free from deposits. The downstream
channel shall be kept free of obstructions that can cause the weir to drown.
7.3 The flume structure shall be kept clean and free from clinging debris, particularly within the
throat section, and care shall be taken in the process of cleaning to avoid damage to the structure.
7.4 Head-measurement devices, connecting conduits and stilling wells shall be cleaned and checked
for leakage. The hook or point gauge, float or other instrument used to measure head shall be checked
periodically to ensure accuracy.
8 Measurement of head
8.1 General
8.1.1 Where spot measurements are required, the heads can be measured by vertical gauges, hooks,
points, wires or tape gauges. Where continuous records are required, recording gauges shall be used,
typically based on float and shaft encoders, cameras, ultrasonics, radar or pressure transducers.
8.1.2 As the size of the flume and head reduces, small discrepancies in construction and in the zero
setting and reading of the head measuring device become of greater relative importance.
8.2 Location of head measurement(s)
8.2.1 Stations for the measurement of head on the flume shall be located at a sufficient distance
upstream from the flume to avoid the region of surface drawdown. On the other hand, they shall be
close enough to the flume to ensure that the energy loss between the section of measurement and the
control section within the flume throat shall be negligible. The location for head measurement is dealt
with in Clauses 10, 11 and 12.
8.2.2 Flow is modular when it is independent of variations in tailwater level. This condition is met
when the tailwater total head above flume invert level is less than or equal to the submergence ratio at
the modular limit, as defined in Clauses 10, 11 and 12 for rectangular-throated, trapezoidal-throated
and U-throated flumes, respectively.
8.2.3 A significant error in the calculated discharge will develop if the tailwater level causes the
submergence ratio to exceed the modular limit. A downstream gauge shall be installed to check that
the modular limit is not exceeded. A simple staff gauge in the downstream channel will normally be the
minimum requirement for this purpose.
8.3 Gauge wells
8.3.1 It is common to measure the upstream head in a gauge well to reduce the effects of water
surface oscillations. Alternatively, data-logged results can be post-processed to eliminate or reduce
such oscillations.
8.3.2 Periodic checks on the measurement of the head in the approach channel shall be made.
8.3.3 Gauge wells shall be vertical and of sufficient height and depth to cover the full range of water
levels. In field installations, they shall have a minimum height of 0,3 m above the highest water levels
expected. Gauge wells shall be connected to the appropriate head measurement positions by means of
suitable conduits.
8.3.4 Both the well and the connecting pipe shall be watertight. Where the well is provided for the
accommodation of the float of a level recorder, it shall be of adequate size and depth.
8.3.5 The pipe shall have its invert not less than 0,06 m below the lowest level to be gauged.
8.3.6 Pipe connections to the measurement position shall terminate either flush with, or at right
angles to, the boundary of the approach channel.
...
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
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Publié en Suisse
ii
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
iii
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
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
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.
vi
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/
4 Symboles
Symbole Grandeur Unité de mesure
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
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
L longueur de la pente (le cas échéant) entre le col et le bassin de m
tranquillisation ou le fond du chenal en aval
L longueur du bassin de tranquillisation (le cas échéant) m
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
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
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
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
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
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.
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
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
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. La formule de base du débit pour un
canal jaugeur à profondeur critique peut être déterminée à partir de la formule générale de calcul de
l'énergie, telle que donnée par la Formule (1):
V Q
Hd=+ =+d (1)
2g
2gA
où
H est la hauteur de charge totale au-dessus du radier du canal jaugeur;
d est la profondeur de l'écoulement;
est la vitesse moyenne dans la section (= Q/A);
V
Q est le débit;
A est l'aire de la section transversale d'écoulement;
g est l'accélération due à la pesanteur.
En différenciant l'énergie dans la Formule (1) par rapport à la profondeur, il peut être montré par la
Formule (2) que pour un débit critique:
gA
c
Q= (2)
w
c
où w est la largeur de la surface de l'eau et l'indice «c» se rapporte aux conditions au niveau de la section
d'écoulement critique.
En remplaçant la Formule (2) par la Formule (1) et en ne tenant pas compte des pertes d'énergie entre la
section de jaugeage et la section de débit critique, on obtient la Formule (3):
A
c
Hd=+ (3)
c
2w
c
5.8 En général, les Formules (2) et (3) sont résolues l'une à la suite de l'autre pour les valeurs
successives de la profondeur d (avec les valeurs correspondantes d'aire et de largeur de surface) pour
c
obtenir la relation entre H et Q, mais dans le cas particulier d'un canal jaugeur à col rectangulaire (voir
9.2.2), elles peuvent être combinées pour produire la relation explicite de la Formule (4):
2 2g
15,
Q= bH (4)
3 3
5.9 Cette formule est facilement reconnaissable, il s'agit de la même que celle qui s'applique (pour un
fluide idéal) à l'écoulement sur un déversoir horizontal à seuil arrondi. Afin d'étendre l'utilisation de
cette formule, trois coefficients supplémentaires peuvent être introduits, ce qui permet d'obtenir une
formule généralisée pour les canaux jaugeurs à profondeur critique à long col, telle que donnée par la
Formule (5):
2 2g
15,
Q= CC Cbh (5)
Ds v
3 3
où
C est un coefficient de débit qui tient compte des propriétés non idéales du fluide, en particulier
D
l'effet de la couche limite dans le col;
C est un coefficient de forme qui permet de prendre en compte l'effet d'une section d'écoulement
s
non rectangulaire dans le col;
C est un coefficient de vitesse qui permet d'utiliser la hauteur de charge mesurée en amont, h, au
v
lieu de la hauteur de charge totale ou de l'énergie spécifique, H.
5.10 Les formules de ces coefficients sont indiquées dans les Articles 9 à 12 et nécessitent généralement
l'adoption d'une approche itérative.
6 Installation
6.1 Choix de l'emplacement
6.1.1 Le canal jaugeur doit être situé dans un tronçon de chenal rectiligne, à l'écart des obstructions
locales, rugosités ou inégalités du lit.
6.1.2 Une étude préliminaire des conditions physiques et hydrauliques de l'emplacement proposé doit
être effectuée pour vérifier que celui-ci est conforme (ou peut être construit ou rendu conforme) aux
conditions nécessaires au mesurage effectué au moyen d'un canal jaugeur. Il convient que les conditions
suivantes fassent l'objet d'une attention particulière lors du choix du site:
a) existence d'une section droite d'une longueur suffisante dans le chenal d'approche;
b) degré acceptable d'uniformité de la distribution des vitesses existante (voir Figure 3);
c) éviter tout chenal à forte pente, dont les caractéristiques induiraient un écoulement surcritique;
d) effets de l'élévation des niveaux de l'eau en amont, due à la structure de mesure;
e) conditions aval, y compris les influences telles que marées, confluents avec d'autres cours d'eau,
écluses, barrages et autres accessoires de contrôle qui peuvent provoquer un écoulement fluvial;
f) imperméabilité du sol sur lequel doit reposer la structure de mesure et nécessité de procéder à un
compactage, à des jointoiements ou à tout autre moyen de contrôle des fuites;
g) nécessité pour les rives de retenir le débit maximal de crue dans le chenal;
h) stabilité des rives et nécessité de nettoyer et/ou de garnir d'un revêtement dans les chenaux
naturels;
i) dégagement des roches ou des éboulis du lit du chenal d'approche;
j) le vent, qui peut avoir un effet considérable sur l'écoulement dans une rivière, un déversoir ou un
canal jaugeur, surtout lorsque ceux-ci sont larges et la charge faible et que le vent dominant est
dans une direction transversale (ce qui introduirait un biais dont la direction dépendrait du fait
que l'échelle se trouve du côté exposé au vent ou sous le vent du chenal d'approche).
6.1.3 Si l'emplacement ne remplit pas les conditions requises pour effectuer des mesurages
satisfaisants, le site doit être rejeté à moins qu'il soit possible d'y apporter les améliorations nécessaires.
6.1.4 Si un examen du courant montre que la distribution de vitesses existante dans le chenal est
raisonnablement uniforme, il peut être supposé que la distribution de vitesses restera satisfaisante
après la construction du canal jaugeur.
6.1.5 Si la distribution de vitesses existante est nettement non uniforme et qu'il n'existe aucun autre
site possible pour le canal jaugeur, il faut envisager de vérifier la distribution après l'installation du
canal jaugeur et de l'améliorer si nécessaire.
6.1.6 Plusieurs méthodes sont disponibles pour obtenir une indication plus précise d'une distribution
irrégulière de la vitesse: bâtons lestés, flotteurs ou traceurs colorimétriques peuvent être utilisés
dans les petits chenaux, ces dernières étant utiles pour vérifier les conditions au fond du chenal. Une
évaluation complète et quantitative de la distribution des vitesses peut être réalisée au moyen d'un
courantomètre et d'autres mesures ponctuelles de la vitesse.
NOTE Pour plus d'informations concernant l'utilisation des courantomètres, consulter l'ISO 748.
Il convient que l'utilisateur confirme que la matière colorante employée est acceptable à des fins de
mesure de débit en chenal naturel dans le pays d'exploitation.
6.1.7 La Figure 3 donne des exemples types de distributions de vitesses dans des chenaux de
différentes formes, qui peuvent être considérés comme acceptables à des fins de mesure du débit.
6.1.8 Les canaux jaugeurs peuvent constituer des obstacles au déplacement des poissons et d'autres
espèces aquatiques. Il convient donc de veiller à ce que l'installation de structures hydrométriques
telles que les canaux jaugeurs n'ait pas d'effet néfaste sur l'écologie aquatique lorsque cela peut poser
problème.
NOTE Des législations ou réglementations nationales ou supranationales, telles que la directive-cadre sur
l'eau du Parlement européen (Directive 2000/60/CE), peuvent s'appliquer à la structure de jaugeage.
S'il est possible que l'installation d'une structure de mesure du débit compromette le déplacement de la
vie aquatique, il convient que sa conception en tienne compte. Sinon, il convient d'installer une échelle à
poissons conformément à l'ISO 26906.
6.1.9 Il convient d'identifier la législation appropriée avant de choisir un site pour un déversoir de
mesure.
6.2 Conditions d'installation
6.2.1 Exigences générales
6.2.1.1 L'installation complète de mesure comprend un chenal d'approche, une structure de mesure
et un chenal aval. Les conditions de chacun de ces trois éléments ont une incidence sur la précision
globale des mesures.
6.2.1.2 Les conditions exigées pour l'installation comprennent des caractéristiques telles que: état de
surface du canal jaugeur, forme de la section transversale du chenal, rugosité du chenal et influence des
appareils de contrôle en amont ou en aval de la structure de jaugeage.
6.2.1.3 La distribution et la direction des vitesses peuvent avoir une influence importante sur le
fonctionnement du canal jaugeur, ces facteurs étant déterminés par les caractéristiques mentionnées
ci-dessus.
6.2.1.4 Une fois le canal jaugeur installé, l'utilisateur doit empêcher tout changement susceptible de
modifier les caractéristiques de débit.
6.2.2 Structure du canal jaugeur
6.2.2.1 La structure doit être rigide, étanche et capable de résister aux crues sans déformation
ni fracture dues aux débordements ou à l'érosion aval. Son axe doit être aligné sur la direction de
l'écoulement du chenal amont et sa géométrie doit correspondre aux dimensions données dans les
Articles 10, 11 et 12.
6.2.2.2 La surface du col du canal jaugeur et du tronçon immédiatement voisin du chenal d'approche
doit être lisse. Elle doit être en béton recouvert par une couche de ciment lisse ou d'un matériau lisse
non sujet à la corrosion. Dans les installations de laboratoire, la finition doit être équivalente à celle
d'une tôle laminée ou d'un bois raboté, poncé et peint. La finition superficielle est particulièrement
importante sur la partie prismatique du col, mais moins importante sur le profil sur une distance de
0,5H en amont et en aval du col proprement dit.
max
Il convient que l'utilisateur confirme que les matériaux de construction utilisés pour la construction
des chenaux naturels sont acceptables dans le pays d'exploitation.
6.2.2.3 Pour réduire l'incertitude sur la mesure du débit, les tolérances suivantes sont acceptables, à
condition qu'aucune tolérance requise ayant trait à l'alignement ou à la dimension ne soit inférieure à
0,001 m:
a) largeur à la base du col: 0,2 % de cette largeur avec un maximum absolu de 0,01 m;
b) défaut de planéité des surfaces planes du col: 0,1 % de L;
c) écartement des surfaces verticales du col: 0,2 % de l'écartement avec un maximum de 0,01 m;
d) pentes moyennes longitudinales et transversales de la base du col: 0,1 %;
e) pentes des surfaces obliques du col: 0,1 %;
f) longueur du col: 1 % de L;
g) défaut de cylindricité ou de conicité de la transition à l'entrée du col: 0,1 % de L;
h) défaut de planéité des surfaces planes de la transition à l'entrée du col: 0,1 % de L;
i) défaut de planéité des surfaces planes de la transition à la sortie du col: 0,3 % de L;
j) défaut de planéité ou de courbure des autres surfaces verticales ou obliques: 1 %;
k) défaut de planéité du lit dans la partie revêtue du chenal d'approche: 0,1 % de L.
NOTE Il est possible que la précision relative à certaines dimensions ou pentes soit assouplie sans effet
significatif sur la précision de mesure du débit des canaux jaugeurs à profondeur critique.
6.2.2.4 La structure doit être mesurée dès son achèvement, et les valeurs moyennes des dimensions
concernées et leurs écarts-types pour des limites de confiance de 68 % doivent être calculés. Les
dimensions doivent servir au calcul du débit et l'écart-type au calcul de l'incertitude globale sur une
détermination du débit.
6.2.3 Chenal d'approche
6.2.3.1 Sur toutes les installations, l'écoulement dans le chenal d'approche doit être exempt de toute
perturbation et doit présenter une distribution des vitesses aussi uniforme que raisonnablement
possible sur l'aire de la section transversale. La Figure 3 montre des distributions types de vitesses sans
dimension dans des canaux rectangulaires et trapézoïdaux, qui sont pertinentes pour la sélection du
site. Pour une forme de chenal donnée, il convient que la distribution des vitesses soit raisonnablement
similaire à l'une de celles présentées dans la Figure 3. Cela peut généralement être vérifié par inspection
ou par mesure. Dans le cas de cours d'eau naturels ou de rivières, il n'est possible d'y parvenir qu'en
disposant d'un long chenal d'approche rectiligne, exempt de projections dans l'écoulement.
6.2.3.2 Les points suivants sont des recommandations et des exigences générales relatives au chenal
d'approche:
a) il convient de tenir compte de toute modification des conditions d'écoulement due à la construction
du canal jaugeur. Par exemple, des hauts-fonds ou des débris peuvent s'accumuler en amont
de la structure, ce qui peut, à terme, avoir une incidence sur les conditions d'écoulement. Toute
modification consécutive probable du niveau de l'eau doit donc être prise en compte lors de la
conception des stations hydrométriques;
b) dans un canal artificiel, la section transversale doit être uniforme et le canal doit être rectiligne sur
une longueur égale à au moins 5 fois la largeur de la surface de l'eau en amont du point de mesure
de la hauteur de charge, voire, lorsque cela est possible dans les nouvelles installations, sur une
longueur égale à 10 fois la largeur de la surface de l'eau en amont du col du canal jaugeur;
c) dans le cas de cours d'eau naturels ou de rivières, la section transversale doit être raisonnablement
uniforme et le chenal doit être rectiligne sur une longueur suffisante pour assurer une distribution
raisonnablement uniforme de la vitesse;
d) si l'entrée du chenal d'approche se fait par une courbe, ou si l'écoulement est déversé dans le chenal
par une conduite ou un chenal de plus petite section transversale, ou à un angle, alors une longueur
de chenal d'approche rectiligne plus importante peut être nécessaire pour obtenir une distribution
raisonnablement uniforme des vitesses;
e) une distance au moins égale à 10 fois la hauteur de chute maximale doit séparer les tranquilliseurs
servant à rectifier l'écoulement et les points de mesure;
f) dans certaines conditions, une onde stationnaire peut se produire en amont du canal jaugeur, par
exemple si le chenal d'approche est abrupt. Pour autant que cette onde se trouve à une distance d'au
moins 30 fois la hauteur de charge maximale en amont, la mesure du débit est réalisable, à condition
de confirmer qu'il existe une distribution de vitesses raisonnablement uniforme au niveau de la
station hydrométrique et que le nombre de Froude dans cette section n'est pas supérieur à 0,6.
Il convient idéalement d'éviter les nombres de Froude élevés dans le chenal d'approche pour une
mesure précise du débit. Si une onde stationnaire se produit en deçà de cette distance, les conditions
d'approche et/ou le canal jaugeur doivent être modifiés.
6.2.4 Conditions en aval
6.2.4.1 Le chenal en aval de la structure n'a généralement pas d'importance en tant que tel si
le canal jaugeur a été conçu de sorte que l'écoulement soit modulaire dans toutes les conditions
de fonctionnement. Une échelle en aval doit être prévue pour mesurer les niveaux en aval afin de
déterminer si et quand un écoulement noyé se produit.
6.2.4.2 Si un affouillement en aval (pouvant entraîner l'instabilité de la structure) est anticipable, des
mesures particulières peuvent être nécessaires pour l'empêcher.
7 Entret
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