Projet de recherche DeichSCHUTZ: des mesures fiables pour des environs plus sûrs

Projet de recherche DeichSCHUTZ: des mesures fiables pour des environs plus sûrs

Dans les situations d’inondations extrêmes, les espoirs des personnes touchées reposent uniquement sur les digues : vont-elles tenir ou non ? La rupture d’une digue telle que celle qui s’est produite lors de l’inondation de Fischbeck (Saxony-Anhalt) en 2013 a causé des dégâts considérables qui continuent d’avoir un impact aujourd’hui. Le projet de recherche active DeichSCHUTZ (protection des digues) de l’Université de sciences appliquées de Brême porte sur un système innovant de protection de digue qui serait capable d’empêcher les ruptures de ce type.

Rien qu’en Allemagne, les digues de rivière protègent des milliers de kilomètres de terrains riverains. Selon la technologie actuelle, les digues en cours de construction se composent de trois zones. Les zones individuelles, considérées depuis le côté de l’eau vers le côté de la terre, sont construites selon une porosité croissante régulière, permettant ainsi un bon drainage du corps de la digue en cas de crue. Toutefois, en Allemagne, de nombreuses digues plus anciennes, à la construction homogène, existent encore, comme la digue qui s’est rompue suite à une crue de l’Elbe en juin 2013 à Fischbeck. Contrairement aux digues en 3 zones, les digues plus anciennes sont particulièrement vulnérables aux conditions de crue prolongée. L’eau s’infiltre dans la digue elle-même tandis que sa ligne de saturation continue d’augmenter dans le corps de la digue sur des périodes prolongées de niveau élevé de l’eau. Plus cette ligne de saturation augmente, plus le matériau de remblai est soumis à la poussée. La digue perd alors de sa masse essentielle, masse indispensable pour contrebalancer la pression du niveau d’eau élevé.

La stabilisation d’une digue susceptible de se rompre nécessite d’énormes ressources, en matériau, en personnel comme en temps, autant d’éléments rares en cas de crue importante.  Des procédures de renfort sont alors nécessaires, ce qui, en termes de personnel, de matériaux et de délais, se révèle plus efficace que l’empilement de sacs de sable le long de la digue, du côté de la terre.

Un système de protection de digue mobile et innovant

Christopher Massole de l’Institut d’ingénierie hydraulique et côtière de l’Université de sciences appliquées de Brême développe actuellement une solution permettant de réduire considérablement le temps et le personnel nécessaires. Avec le projet de recherche DeichSCHUTZ, sponsorisé par le Ministère fédéral de l’Éducation et de la Recherche, un système de protection de digue mobile et innovant est testé pour stabiliser les digues lors d’épisodes de crues. La technologie de mesure fournie par STS joue également un rôle ici.

Afin d’évaluer le système de protection de digue mobile, une digue-test a été construite sur le site de l’Agence pour le secours technique, à Hoya. À cet effet, un bassin de rétention en U, contenant près de 550 mètres cubes d’eau, a été construit et est doté d’une digue à une extrémité.

Comme le montre la vidéo, de nombreuses conduites ont été déployées à gauche de la digue. Ces conduites abritent des capteurs de niveau ATM/N fabriqués par STS. Dans la configuration de test, le bassin de rétention est rempli d’eau souterraine. Dans des conditions proches de la réalité, l’eau devrait atteindre un niveau de 3 mètres en 30 heures. Le capteur de niveau submersible ATM/N mesure l’évolution de la ligne de saturation dans cet intervalle. Avec une plage de pression allant de 1 à 250 mH2O et une précision de ≤ ± 0,30 %FS (-5 à 50 °C), celle-ci est enregistrée au centimètre près. Lorsque la ligne de saturation ne monte plus, le système de protection de digue mobile est installé sur la pente du côté eau et doit empêcher toute pénétration ultérieure d’eaux d’infiltration. Le corps de la digue continue à être drainé tandis que l’ampleur du décalage qui en résulte dans la ligne de saturation est mesurée par les capteurs de niveau utilisés. Ce sont les mesures de ces résultats qui permettent d’évaluer la fonctionnalité du système de protection.

 

Pouvoir prédire les risques de catastrophe naturelle: mesurer le niveau des lacs glaciaires

Pouvoir prédire les risques de catastrophe naturelle: mesurer le niveau des lacs glaciaires

Les glaciers des Alpes sont en évolution constante. Après le dégel qui survient au printemps et en été, des lacs peuvent apparaître. Le niveau de ces derniers doit être surveillé en continu afin de pouvoir détecter les inondations de façon précoce. À cette fin, il est donc nécessaire de disposer de capteurs de pression, de capteurs de niveau et d’enregistreurs de données fiables.

L’entreprise suisse Geopraevent, présente à l’international, développe, installe et exploite des systèmes de surveillance et d’alerte de qualité pour divers risques de catastrophe naturelle, notamment les avalanches, les glissements de terrain et les inondations. En fonction de la tâche qui leur est confiée et des conditions locales, les systèmes sont conçus et déployés de façon individuelle. À l’heure actuelle, plus de 60 systèmes de surveillance et d’alerte sont utilisés dans le monde. Lorsque l’on parle de catastrophes naturelles, il n’y a pas droit à l’erreur, au regard des conséquences potentiellement graves qu’elles peuvent avoir : la technologie employée doit donc fonctionner de façon fiable année après année. C’est pour cela que tous les systèmes sont reliés aux serveurs Geopraevent, afin de garantir un fonctionnement sans faille.

Mesure du niveau des lacs glaciaires de la Plaine Morte

Cela s’applique également au système mis en service en 2011 pour assurer la surveillance du glacier de la Plaine Morte, dans les Alpes bernoises. Dès que la température grimpe au printemps, le glacier commence à fondre (voir la vidéo). Tous les ans, l’eau issue de cette fonte des glaces forme trois lacs (les lacs de Faverges, Vatseret et Strubel), dont la taille augmente tout au long des mois d’été, avant de finir par se vider chaque année.

Le danger encouru par la municipalité toute proche de Lenk, à l’origine du projet, provient principalement du lac de Faverges. Comme les deux autres lacs, il n’existe que durant les mois chauds. Après sa réapparition annuelle suite à la fonte des neiges et du glacier, l’eau se réchauffe dans les mois qui suivent, puis poursuit sa route en se frayant un chemin dans la glace. Petit à petit, cette voie de sortie s’agrandit à mesure que la fonte s’accentue. En d’autres termes, le débit en eau augmente de façon continue. En août 2014 par exemple, quelque 20 mètres cubes d’eau par seconde ont dévalé le torrent de Trüebach en direction de Lenk. Une fois le lac glaciaire vidé, le cycle reprend au printemps suivant lorsque la fonte des glaces survient.

Pour pouvoir prédire l’éventuelle vidange brutale du lac glaciaire et mettre en place les mesures de protection appropriées, un système de surveillance a été installé par Geopraevent. Il garantit un avertissement précoce d’un à deux jours. Dans la réalisation de ce projet, en raison des exceptionnelles propriétés de stabilité à long terme et d’autres avantages encore, c’est la technologie des capteurs STS qui a été une nouvelle fois choisie.

Alerte de vidange brutale des lacs glaciaires par SMS

Afin de pouvoir estimer de façon réaliste le danger que posent ces lacs glaciaires à n’importe quel moment, quatre stations de mesure ont été mises en place au total : une pour chacun des trois lacs, et une sur le Trüebach, le torrent par lequel l’eau descend vers la commune de Lenk en cas de vidange d’un lac glaciaire.

Le niveau d’eau de ces trois lacs glaciaires est contrôlé au moyen de capteurs de pression. À cette fin, les instruments de mesure sont immergés par hélicoptère dans la partie la plus profonde de chacun des lacs. Les capteurs de pression ATM/N/T sont reliés par câble aux enregistreurs de données installés sur un monticule. Les enregistreurs de données utilisés dans ce cas sont alimentés par des cellules photovoltaïques et leurs données sont transférées à Geopraevent par téléphonie mobile. Si l’enregistreur de données relève un niveau à la baisse, il y a là un signe clair que le lac glaciaire concerné est en train de se vider.

Station de mesure du glacier de la Plaine Morte (Photo: Geopraevent)

En plus de la mesure du niveau des lacs, un radar de mesure de niveau surveille également le niveau de remplissage du Trüebach. Cette station de mesure supplémentaire sert à vérifier que le lac glaciaire est bien en train de se vider en direction de la commune de Lenk. Comme le Trüebach traverse un ravin, le radar de mesure de niveau est fixé à un câble d’acier tendu en travers du ravin, également relié par câble à un enregistreur de données.

Dès que les valeurs limites prédéfinies sont dépassées dans un sens ou dans un autre dans les lacs ou le Trüebach, les habitants de Lenk à qui la responsabilité a été confiée sont informés automatiquement par SMS et peuvent dès lors prendre les mesures qui s’imposent pour éviter les inondations.

Améliorer la défense contre les anomalies climatiques grâce à des capteurs de niveau fiables

Améliorer la défense contre les anomalies climatiques grâce à des capteurs de niveau fiables

Depuis quelques années, la Russie est de plus en plus confrontée à des catastrophes environnementales causées par des conditions météorologiques extrêmes. Ces événements ont entraîné des dégâts matériels considérables et ont coûté de nombreuses vies humaines. Un vaste programme structurel visant à améliorer les prévisions météorologiques a été mis en place pour tenter de réduire ces risques et soutenir la recherche sur les changements climatiques.

Les anomalies météorologiques qui se produisent en Russie, telles que la sécheresse extrême de 2010 ou les fortes inondations de l’oblast de l’Amour en 2013, suscitent des préoccupations majeures en Russie et dans le reste du monde. Le Service fédéral russe d’hydrométéorologie et de surveillance de l’environnement (Roshydromet), qui est en charge de fournir des prévisions météorologiques de haute précision, va prochainement être renforcé dans le cadre du deuxième projet national de modernisation des services hydrométéorologiques. Un peu plus de 139 millions de dollars ont été investis dans ce projet.

Ce projet de modernisation à grande échelle aidera l’organe exécutif fédéral Roshydromet à fournir des informations fiables et actualisées sur les conditions météorologiques, l’hydrologie et le climat. Dans le même temps, la Russie devrait prochainement bénéficier d’une meilleure intégration au système mondial de services météorologiques.

Les mesures de ce projet incluent :

  • Le renforcement des technologies de l’information et de la communication nécessaires à l’acquisition de données météorologiques, climatiques et hydrologiques.
  • La modernisation du réseau d’observation.
  • La consolidation des institutions.
  • Un accès optimisé aux données et informations provenant du Roshydromet.
  • L’amélioration de la protection contre les catastrophes

Avec la modernisation du réseau d’observation hydrologique de Roshydromet dans les rivières Léna, Iana, Indigirka, Viliouï et Kolyma, une attention particulière a été accordée à la technologie de surveillance. Cette technologie, qui ne nécessite quasiment pas d’entretien, fonctionne de manière fiable dans les zones difficiles d’accès et dans les environnements extrêmes tels que le pergélisol.

Illustration 1 : Vue d’ensemble des sites de surveillance

En collaboration avec la société russe Poltraf CIS Co. Ltd., STS a fourni une partie des capteurs de niveau d’eau installés dans 40 stations de surveillance hydrologique. Le projet comportait les exigences suivantes:

  • La surveillance permanente des niveaux d’eau et des températures, ainsi que la mesure des précipitations et des chutes de neige. Cela inclut également l’installation de caméras de surveillance pour maintenir la formation de glace à des points stratégiques importants.
  • La transmission automatique et sans erreur de données via GPS ou satellite.
  • Une fonction d’alarme en cas de dépassement des limites définies.
  • Une solution de serveur pour stocker les données collectées, incluant un logiciel pour la visualisation, l’évaluation et le traitement des données.
  • Une technologie facile à installer et à utiliser qui permet un fonctionnement sans entretien majeur pendant plusieurs années.
  • Une préparation professionnelle des lieux de surveillance.

Pour répondre à ces impératifs particuliers plusieurs capteurs ont été employés, dont le capteur Modbus DTM.OCS.S/N/RS485. Cette sonde de niveau numérique mesure à la fois le niveau et la température. Sa conception robuste et sa résistance de -40 à 80 degrés Celsius lui permettent de résister aux conditions difficiles de cette application. Et sa précision de ≤ 0,03 % PE garantit des résultats précis aux points de mesure critiques.

Autres avantages de ce capteur de niveau numérique :

  • Capteur de niveau numérique de haute précision pour une intégration facile dans les réseaux Modbus standard.
  • Adaptation individuelle à diverses applications grâce à une conception modulaire.
  • Précision maximale sur toute la plage de températures grâce à une compensation électronique.
  • Réglage du décalage d’origine et de la plage de mesure via Modbus.
  • Stabilité à long terme de la cellule de mesure.
  •  Possibilité de recalibrer le capteur.
Sites contaminés: Des sondes de niveau résistantes sont nécessaires pour la décontamination des eaux souterraines

Sites contaminés: Des sondes de niveau résistantes sont nécessaires pour la décontamination des eaux souterraines

Qu’il s’agisse d’anciennes décharges, de décharges de charbon, d’anciens sites militaires ou de raffineries, il reste des terres contaminées et cela représente un danger pour l’homme et l’environnement. Pour la récupération de ces endroits, vous avez besoin de sondes de niveau résistant aux substances dangereuses agressives souvent présentes dans ces zones.

Les sites contaminés ne se caractérisent pas uniquement par des altérations du sol nuisibles à la santé et à l’environnement. En l’absence de mesures de sécurité (comme dans le cas des anciennes décharges) et en fonction des caractéristiques de la terre, les substances dangereuses pénètrent avec les pluies jusqu’à ce qu’elles atteignent les eaux souterraines. Selon le type d’utilisation, il est possible de trouver une série de diverses substances dangereuses, y compris:

  • composés de métaux lourds: cuivre, plomb, chrome, nickel, zinc et arsenic (semimétal)
  • substances organiques: phénols, huiles minérales, benzène, hydrocarbures chlorés (CHC), hydrocarbures aromatiques (HAP)
  • sels: chlorures, sulfates, carbonates

Décontamination de l’approvisionnement en eau

En ce qui concerne la remise en état des sites contaminés, outre le nettoyage des sols, le contrôle et la purification des eaux souterraines sont également essentiels. Sans l’utilisation de sondes de niveau fiables capables de résister à des conditions défavorables, ceci n’est pas possible.

Les étapes du processus de décontamination sont généralement les suivantes : l’eau souterraine contaminée est pompée à la surface et traitée. L’eau de rinçage filtrée obtenue est ensuite renvoyée à la source de contamination. Pour s’assurer que l’eau de rinçage ne s’écoule pas vers l’un des sites qui ne sont pas en contact avec la source de contamination, des systèmes hydrauliques actifs sont utilisés pour une infiltration sûre. L’eau est versée dans le sol à travers divers puits pendant le processus de décontamination proprement dit. Les conditions de pression générées forment, pour ainsi dire, une barrière assurant que l’eau de rinçage s’écoule dans la source de contamination. Des capteurs de niveau sont nécessaires pour guider et surveiller ce processus.

Naturellement, les sondes de niveau sont également utilisées à la fin des travaux de remise en état. En effet, après la fin des travaux, les sites en question sont surveillés pendant une longue période afin de vérifier tout changement dans le niveau de l’eau ou dans la direction de l’écoulement.

De plus, les sondes de niveau sont naturellement utilisées dans le cas d’applications actives potentiellement dangereuses pour l’environnement. Les sites d’enfouissement récents sont construits comme une piscine étanche. Le niveau d’eau sous la décharge est abaissé de sorte qu’en cas de fuites, l’eau ne puisse pas se retrouver dans les zones adjacentes. Ici aussi, les niveaux d’eau respectifs doivent être surveillés via les sondes de niveau.

Sondes de niveau dans l’eau contaminée: exigences élevées

Les utilisateurs qui travaillent dans le domaine de l’assainissement des sites contaminés doivent procéder très soigneusement lors du choix de la sonde de niveau appropriée. En raison du grand nombre de substances qui peuvent être dissoutes dans l’eau, il n’y a pas de solution qui fonctionne de manière fiable pour chaque situation. Nous devons considérer plusieurs aspects que nous illustrerons brièvement ci-dessous:

Les matériaux

Corps de la sonde

Dans la plupart des applications, un acier inoxydable de bonne qualité, comme celui utilisé par STS, est suffisant pour protéger la cellule de mesure contre les substances agressives. S’il y a contact avec de l’eau salée, vous devez opter pour un corps en titane. Si des effets galvaniques sont attendus, une sonde de niveau PVDF doit être sélectionnée.

Image 1: Sonde de niveau ATM / NC chimiquement résistante avec corps externe en PVDF

Câble de la sonde

Le choix du câble de la sonde est, selon notre expérience, plus critique que le choix d’un corps de sonde approprié. En raison des processus d’infiltration lent, la détérioration n’est pas immédiate. Souvent, la présence de dommages extérieur n’est pas visible et par conséquent, une attention particulière doit être prise lors de la sélection de la matière du câble. Si le matériau du câble n’est pas à 100% résistant, les éléments peuvent se propager à travers la gaine du câble et atteindre la puce du capteur.

Les utilisateurs STS peuvent utiliser des câbles PE, PUR ou FEP. Ce dernier peut également être utilisé dans le cas de très hautes températures jusqu’à 110 ° C. 

l’installation

Pose des câbles

Les anciennes décharges ou les sites industriels sont des environnements difficiles. Ce ne sont pas seulement les substances dangereuses qui compromettent la fonctionnalité des sondes de niveau utilisées. Des précautions doivent être prises pour s’assurer que la gaine du câble n’est pas endommagée par des charges mécaniques (par exemple des débris). De plus, les points de frottement et de flexion doivent également être évités. Nous recommandons donc l’utilisation de revêtements protecteurs spéciaux, tels que ceux proposés par STS.

Charge de traction

La résistance à la compression des sondes de niveau varie d’un fabricant à l’autre. En standard, toutes les sondes STS sont résistantes à la compression jusqu’à 250 mètres et jusqu’à cette profondeur, le câble est également conçu pour des charges de traction normales. Cependant, dans le cas de conditions d’installation difficiles, les utilisateurs doivent envisager d’utiliser un renfort de câble.

Fixation

En cas d’utilisation dans l’eau courante ou dans des réservoirs avec agitateurs, la sonde peut être alimentée soit avec un filetage G ½ à la sortie du câble (montage sur tube) soit avec un raccord à compression (15 mm).

Protection contre l’explosion

Dans les applications où diverses substances dangereuses sont attendues, une attention particulière doit être portée à la protection contre les explosions. Des informations à ce sujet sont fournies par la directive ATEX concernant les normes internationales.

La mesure de la conductivité des eaux naturelles et autres liquides

La mesure de la conductivité des eaux naturelles et autres liquides

Plusieurs facteurs sont à prendre en compte lors de la mesure de la conductivité d’un liquide. Bien que les éléments à considérer varient selon la nature du liquide testé, l’un des principaux facteurs d’influence est la température du liquide.

La conductivité, exprimée en microsiemens (µS), indique la capacité d’une substance à conduire du courant électrique. La conductance électrique est l’inverse de la résistance électrique (ohms). Ainsi, plus la conductance est élevée plus la résistance est faible.

La conductivité des eaux naturelles

L’eau pure n’offre quasiment aucune conductance électrique (0,055 µS/cm pour l’eau pure, contre 500 µS/cm pour l’eau potable). L’eau devient conductrice par le biais de substances dissoutes, telles que les chlorures, les sulfates et autres substances. Ainsi, la pureté d’un plan d’eau peut être déterminée via une simple mesure de conductivité. Plus la conductivité est élevée, plus il y a de substances dissoutes dans l’eau. Les usages applicatifs de la mesure de la conductivité permettent par exemple d’évaluer le niveau de contamination des eaux souterraines dans les décharges et de surveiller les infiltrations d’eau salée dans les sources souterraines. Ces usages font de la conductivité un élément clé des technologies environnementales de dépistage et d’analyse des impuretés dans l’eau. Cependant, la conductivité n’est qu’un indicateur de pollution. La composition des substances présentes dans l’eau doit ensuite être analysée chimiquement, en particulier car les substances pouvant être dissoutes dans l’eau ne sont pas toutes conductrices (p. ex. les hormones et les fongicides).

Un autre usage applicatif de la mesure de la conductivité consiste à déterminer la direction et la vitesse d’écoulement de l’eau. Du sel est ajouté à l’eau afin d’augmenter sa conductivité, puis des mesures de conductance sont effectuées à des points spécifiques qui permettent de déterminer avec précision la vitesse et la direction d’écoulement.

Comme mentionné précédemment, la conductivité d’un liquide dépend fortement de sa température. Deux échantillons d’une même substance liquide peuvent donc produire différentes valeurs de conductance à différentes températures. Sans compensation de température, il est pratiquement impossible de comparer deux substances qui ne peuvent pas être examinées à la même température. Par conséquent, la mesure de la conductivité et la mesure de la température sont généralement effectuées en même temps. La compensation de température est ensuite utilisée pour calculer la conductance à une température de référence, qui est normalement définie à 25 °C.

La formule de compensation de température

La formule de compensation de température utilisée pour déterminer la conductivité d’un liquide à une température de référence dépend entièrement du liquide examiné. Pour les eaux naturelles, la fonction employée est la fonction non linéaire de la norme ISO/DIN 27888 relative à la qualité de l’eau.

Les fonctions linéaires sont utilisées pour les solutions salines, acides et alcalines. Pour calculer le pourcentage de variation de conductivité (K) par variation de température en degrés Celsius (∆T), nous utilisons la formule suivante :

α = (∆K(T)/∆T)/K(25°C)*100

∆K (T) = Variation de conductivité par rapport à la plage de température sélectionnée.

∆T = Variation de température par rapport à la plage de température sélectionnée.

K (25 °C) = Conductivité à 25 °C

Enfin, considérons un exemple de calcul permettant de déterminer la conductivité d’un détartrant rapide. Pour obtenir les chiffres nécessaires au calcul, trois mesures doivent être effectuées :

122.37 mS/cm à 20°C
133.10 mS/cm à 25°C
135.20 mS/cm à 26°C

K(T) = 135.20 mS/cm -122.37 mS/cm = 12.83 mS/cm
T = 26°C – 20°C = 6°C
K(25°C)= 133.10 mS/cm

α = ((135.20 – 122.37)/(26 – 20))/133.10*100 = 1.60 %/°C