SismoRiv – Phase 2 (Méthode de mesure en continu du charriage en rivière basée sur la propagation du signal sismique)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 590.02.19

Schlüsselwörter (Französisch)

transport sédimentaire, charriage, MatErosion, Rhône, mesure, vibrations, rivière, signaux basse fréquence, méthodologie de mesure, monitoring, geophones

Kurzbeschreibung (Französisch)

En 2011, dans le cadre du projet MatErosion, le Centre de Recherche sur l’Environnement ALPin (CREALP) a installé une station expérimentale de mesure du charriage utilisant la technique des Swiss Plate Geophones sur le site de Zinal (Val d'Anniviers) en partenariat avec l'Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage (WSL). Basée sur une méthode de mesure intrusive, ce type de station possède l'avantage de générer de très bonnes estimations du transport sédimentaire et l'inconvénient de nécessiter des investissements lourds et coûteux. En partant de ce constat, le CREALP a voulu développer une solution de mesure du charriage simplifiée, dont le déploiement est aisé et peu coûteux.

Une étude de faisabilité (Phase 1, contrat UTF 505.08.15) a été réalisée entre 2015 et 2016, et a permis de démontrer l'intérêt de la méthodologie SismoRiv pour la mesure, dans les berges d'une rivière, du charriage par traitement du signal sismique émis par les vibrations des sédiments en mouvement dans le cours d’eau. Elle a permis de conceptualiser et de réaliser un prototype basé sur une acquisition "low cost" des signaux sismiques présents dans les berges. Une série de mesures, réalisées à côté de la station de Zinal équipée des Swiss Plate Geophones, a validé le fait qu'il existe dans les berges un signal sismique utilisable pour la mesure du charriage et que la méthodologie développée permet d’enregistrer ces signaux et de les mettre en relation avec un bon degré de corrélation avec le transport solide réel. Ces estimations du transport solide sont toutefois encore dépendantes d’une mesure de référence pour assurer un bon calibrage sur site de la méthode SismoRiv.

Le présent projet propose de poursuivre et finaliser le développement de cette méthodologie en utilisant d’autres sites calibrés comme références, afin de développer un algorithme d’interprétation des données collectées qui permette, à terme, d’utiliser la méthode SismoRiv sans mesure de référence pour le calibrage. Cela permettra de mettre à disposition des acteurs intéressés un monitoring du charriage simple et peu coûteux, utilisable partout et répondant aux attentes de la loi fédérale sur la protection des eaux.

 

Le projet a été accepté sur la base de la demande de subside du 05.11.2018 à l’occasion de la séance de la Koko UT du 29.11.2018.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Französisch)

1    Le prototype de la station de mesure SismoRiv est adapté avec la possibilité de synchroniser les mesures et le traitement des algorithmes du signal sismique est amélioré.

2    Un protocole de validation du matériel et du traitement logiciel pour le prototype SismoRiv est élaboré.

3    Les résultats des tests et de la validation de la reproductibilité démontrent la fiabilité de la solution de mesure SismoRiv sur les sites de la Navisence et de l'Erlenbach disposant d'une mesure de charriage, équipées de Swiss Plate Geophones et déjà calibrées. Jalon 1.

4    Un déploiement de la solution de mesure SismoRiv sous la forme d'un réseau de mesure est effectué sur le Rhône au niveau de la commune de Goms. Une station est installée à l'amont de la prise d'eau, et trois à l'aval dont deux encadrant directement une zone alluviale.

5    Une analyse qualitative des mesures effectuées sur le site du Rhône au niveau de la commune de Goms démontre les différents régimes de charriage, les périodes ainsi que les seuils de déclenchement du transport. Jalon 2.

6    En fonction des résultats du point 5, la quantification du transport sédimentaire est faite et un protocole d’auto-calibration du système SismoRiv est développé. Les données des mesures effectuées sur le 3ème site démontrent le potentiel de la méthode SismoRiv.

7    Présentation des résultats lors des conférences de l'IAEG (International Association for Engeneering Geology and the Environment) et du Swiss Geoscience Meeting.

8    Rédaction d’un rapport final présentant les résultats des points 1 à 7.

9    Eléments de textes, illustrations et au moins 3 photos pour l’impression des publications à l’adresse du public.

10    Une présentation PowerPoint des résultats est mise à disposition de l’OFEV et, sur demande, peut être fait sous forme d’un exposé à l’OFEV.

Projektziele (Französisch)

Développement du système de mesure SismoRiv basé sur les vibrations émises par le transport des sédiments dans les cours d’eau pour permettre un monitoring en continu du charriage des sédiments dans les rivières.

Beschreibung der Resultate (Französisch)

Le transport solide, ou capacité d’un cours d’eau à transporter des sédiments, est le facteur principal influençant la morpho-dynamique des cours d’eau de montagne. Il est dorénavant admis que le charriage a un impact direct sur le caractère dévastateur des crues mais un effet bénéfique pour la biodiversité des cours d’eau. Pourtant les solutions permettant une estimation de ce phénomène sont soit extrêmement coûteuses soit inexactes.
Au cours de ce projet, nous avons développé une solution de mesure low-cost basée sur l’acquisition de signaux sismiques dans les berges. Cette solution de mesure est composée d’un capteur sismique standard, d’un module d’acquisition développé par la société TETRAEDRE SA et la HES –SO Valais/Wallis permettant la centralisation, le prétraitement, le transfert de l’information sismique ainsi que l’alimentation générale du système.
Ce projet a démontré qu‘il était possible pour un budget raisonnable (< 6 kCHF / station) de mettre en place un monitoring du charriage et ce en plusieurs points du linéaire d’un cours d’eau. Les estimations qualitatives et quantitatives du transport sédimentaire réalisées à l’aide de notre solution de mesure sont de qualité proche de celles obtenues à l’aide des installations dédiées à la recherche (Swiss Plate Geophone par exemple).

La solution développée est accessible à tous grâce à l’utilisation de matériel standard et la mise à disposition des différentes ressources (schémas électroniques, code informatique, package Open Source).

Umsetzung und Anwendungen (Französisch)

Pour faciliter la mise en oeuvre de la solution de mesure, nous avons mis en place plusieurs procédures :

- Un protocole permettant de valider en laboratoire le bon fonctionnement du matériel.
- Un ensemble de précautions à prendre lors du déploiement sur le terrain d’une solution de mesure sismique comme SismoRiv. Ces suggestions permettent de maximiser les chances d’avoir un signal exploitable.
- Une méthodologie basée sur des outils statistiques et des programmes open source qui permettent d’interpréter la mesure sismique pour obtenir une information relative au transport sédimentaire.
- Une interface web qui permet de visualiser en temps réel l’activité sismique enregistrée par les géophones.

Comme proposé lors de la mise en place du projet, l’instrumentation et le prétraitement des données peuvent être effectués sous forme de service par le CREALP. En 2023, nous avons par exemple répondu à une interrogation des services cantonaux quant au lien entre le transport sédimentaire et la relation Rhône-Nappe phréatique en déployant la solution de mesure le long du Rhône aux alentours de Brig.

Weiteres Vorgehen (Französisch)

La première étape va être de s’affranchir de toute contrainte liée au matériel. Pour cela nous allons adapter en partenariat avec la HES-SO, le RasbBerry Shake, ce qui permettra de diminuer le coût et de faciliter la mise à disposition du matériel. En parallèle, nous allons terminer le portage des codes d’inversion vers une version en Python, ce qui permettra de faciliter l’approche Machine Learning.
Ensuite nous allons recontacter les différents acteurs qui nous ont déjà approché pour répondre à des problématiques de charriage :
- Aménagements hydro-électriques qui cherchent à améliorer leur gestion des installations, à valider l’action morphogène des purges sédimentaires.
- Gestionnaires de cours d’eau qui s’intéressent à l’impact du charriage sur la géomorphologie et la biodiversité.
- Partenaires académiques qui travaillent déjà sur la problématique du charriage.