FR3025644A3 - Dispositif pour surveiller l'activite de liquides modifiant un paysage, sur la base d'un modele - Google Patents

Abstract

Ce dispositif contient un bac à sable (1), pouvant tourner autour d'au moins deux axes (T1, T2) courant perpendiculairement l'un à l'autre, bac qui, en étant délimité par des plaques d'extrémité une surface plane et des côtés longitudinaux (4, 8), convient à la réception d'échantillons de sol (5), et qui dispose d'une source de liquide et d'une tubulure d'évacuation (6), caractérisé en ce que la surface plane (2) du bac à sable (1) est configurée avec des zones (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f), qui peuvent subir un mouvement perpendiculairement à la surface plane (2), les côtés longitudinaux (4, 8) du bac à sable (1) sont pourvus de plaques coulissantes (4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f, 4g, 4h) pouvant subir un mouvement perpendiculaire aux côtés longitudinaux (4, 8).

Description

1 DISPOSITIF POUR SURVEILLER L'ACTIVITE DE LIQUIDES MODIFIANT UN PAYSAGE, SUR LA BASE D'UN MODELE La Demande de Modèle d'Utilité concerne un dispositif pour surveiller l'activité de liquides modifiant un paysage sur la base d'un modèle, contenant un bac à sable, pouvant tourner autour d'au moins deux axes perpendiculaires l'un à l'autre, bac qui, délimité par des plaques d'extrémité, une surface plane et des côtés longitudinaux, convient à la réception d'échantillons de sol, et dispose d'une source de liquide et d'une tubulure d'évacuation.

Au cours de la modélisation hydrologique, couplée à une informatique géographique, des crues dans les paysages de montagnes et de collines, on réalise en général un réseau de surveillance dans un bassin versant, exceptionnellement limité, ou par exemple dans le circuit de distribution d'eau d'une quelconque agglomération. En outre, un tel système d'alerte peut être réalisé, qui convient à la détermination d'inondations se produisant brutalement quand sont satisfaites des conditions aux limites prédéfinies. Des études analogues ont cependant, du point de vue de la modélisation, soulevé toute une série de problèmes. Il est presque impossible de réaliser un réseau de surveillance aussi détaillé, qui représente sans aucun défaut les paramètres du bassin versant considéré, rapportés à la perspective d'une modélisation. Les constantes et relations empiriques utilisés dans les systèmes d'adduction d'eau de grande superficie ne peuvent se corréler avec les modèles utilisés dans les systèmes d'adduction de faible superficie. Dans les messages d'alerte, aucun comportement stochastique ne peut être programmé. C'est la raison pour laquelle on a développé un système modèle physique de ce type, portant sur de petits échantillons, dans lequel il est possible de modéliser, d'une manière assistée par ordinateur, les phénomènes de crue, les processus d'humidification du sol, les processus de couverture, les processus à long terme de modification du lit des rivières, et les processus tectoniques, et ce dans des conditions contrôlées. Le brevet US 5 653 592 présente par exemple un dispositif 3025644 2 pour la modélisation des mouvements de l'eau d'évacuation d'une rivière ou d'un cours d'eau analogue, dans lequel, sur un fond surélevé et incliné d'un échantillon, on dispose une copie à l'échelle du tronçon de rivière à étudier et une source d'eau, et, à partir de cette dernière, il est possible d'amener au modèle de l'eau contenant 5 des dépôts de l'échantillon. Le dispositif contient en outre un générateur de fonction, qui permet d'amener l'eau au modèle, et présente un système de mesure glissante, micrométrique numérique, qui permet des mesures précises, avec une fréquence choisie de prélèvement des échantillons le long du modèle.

10 La Société Little River Forschung & Design LLC (514 East Main Street Carbondale, Illinois 62901 - emriver.com) commercialise un dispositif de modélisation géomorphologique, qui convient à la simulation de processus de grande ampleur, par exemple dans les zones d'inondation, les zones côtières, les zones des nappes. Sur une table de modélisation placée de chant, qui peut tourner autour de 15 trois axes indépendants les uns des autres, on a disposé une simulation de sol, colorée par fractions, ayant une certaine distribution des particules, ainsi qu'une source pour introduire de l'eau. Un inconvénient des solutions mentionnées réside dans le fait qu'elles ne 20 conviennent ni à une modélisation continue des processus, ni à un traitement informatisé complet de ces derniers, surtout du fait que l'enregistrement - le plus souvent mis en oeuvre à l'aide d'un scanner à plat, onéreux - du profil superficiel qui a été réalisé par le liquide introduit dans le modèle, ne peut être réalisé qu'après l'évacuation du liquide, habituellement l'eau, c'est-à-dire que l'observation et la 25 documentation de l'activité de liquides modifiant un paysage sur la base d'un modèle ne sont rendues que périodiquement. Le modèle utilisé vise à créer un dispositif physique de modélisation (bac à sable, table de modélisation, géo-modèle, canal en coquille, etc.), qui convienne à 30 l'observation et à la documentation continues de l'activité de modification de paysage du liquide sur la base d'un modèle, et qui en outre convienne non seulement à la modélisation, mais aussi à un traitement informatisé des processus.

3025644 3 Cet objectif a été atteint par la fabrication d'un dispositif destiné à la surveillance de l'activité de liquides modifiant un paysage sur la base d'un modèle, contenant un bac à sable, pouvant tourner autour d'au moins deux axes courant perpendiculairement l'un à l'autre, qui, en étant délimités par des plaques d'extrémité, 5 une surface plane et des côtés longitudinaux, convient à la réception d'échantillons de sol, et qui dispose d'une source de liquide et d'une tubulure d'évacuation, la surface plane du bac à sable étant en outre configurée avec des zones qui peuvent se déplacer perpendiculairement à la surface plane, les côtés longitudinaux du bac à sable sont pourvus de plaques coulissantes pouvant se déplacer 10 perpendiculairement aux côtés longitudinaux, et en outre un système de console est disposé au-dessus du bac à sable, auquel sont fixées au moins une caméra raccordée à un ordinateur, ainsi qu'une caméra thermique, et le bac à sable est pourvu d'une source de liquide qui envoie sur l'échantillon de sol un liquide à une température s'écartant de la température de l'échantillon de sol.

15 Le dispositif est de préférence pourvu de télémètres laser, qui sont raccordés à l'ordinateur, et qui commandent l'étendue des déplacements du bac à sable. De nombreuses caméras sont disposées sur le système de console, à des 20 distances variables les unes des autres. La source de liquide est raccordée à un appareil de chauffage de liquide. La source de liquide est raccordée à un appareil de refroidissement de liquide.

25 La source de liquide est de préférence formée d'une colonne d'eau statique, se déplaçant en même temps que le bac à sable. Le modèle d'utilité est expliqué ci-après à l'aide d'une forme de réalisation 30 avantageuse, par référence au dessin ci-joint. Dans le dessin : La Figure 1 est une vue en perspective d'un bac à sable selon le modèle d'utilité ; 3025644 4 La Figure 2 est une vue de côté d'un bac à sable selon le modèle d'utilité ; La Figure 3 présente l'état initial et l'état final d'un fond de lit, qui s'est formé 5 pendant l'exécution d'un essai du bac à sable selon le modèle d'utilité ; La Figure 4 est une image thermographique destinée à déterminer la forme effective du fond de lit, et les vitesses d'écoulement de l'eau ; 10 La Figure 5 est une représentation 3D de l'état final de l'essai ; La Figure 6 présente une vue en coupe transversale du courant initial et du courant final ; et 15 La Figure 7 présente une visualisation des modèles de fond de lit tressés. La Figure 1 présente une forme de réalisation préférée du dispositif de surveillance et de documentation de l'activité de liquides modifiant un paysage sur la base d'un modèle, selon une représentation schématique et en perspective. Le 20 dispositif, dans cette forme de réalisation, comprend un bac à sable 1 ayant une surface de 4,2 m x 2,5 m, et une capacité portante correspondante, pour porter l'échantillon de sol 5, ayant une consistance aqueuse, ainsi qu'une épaisseur de 150 mm, jusqu'à une limite totale de masse de 2,5 t. Le bac à sable 1 peut être incliné en étant basculé d'une manière programmée de ± 7,5 degrés autour de son axe 25 longitudinal T1 et de + 10 degrés autour de son axe transversal T2. Dans une autre forme de réalisation préférée, le bac à sable 1 peut aussi tourner autour d'un axe supplémentaire T3. Des zones particulières de la surface plane 2 du bac à sable 1, de préférence ses six zones 3a, 3b, 3c, 3d, 3e et 3f, peuvent être déplacées de ± 120 mm, perpendiculairement à la surface plane 2 du bac à sable 1, de préférence à une 30 vitesse programmée de 10 à 200 mm/jour. L'échantillon de sol 5 peut, à partir d'une direction latérale, subir une déformation perpendiculairement à son côté longitudinal 4 à l'aide de 4 plaques coulissantes 4a, 4b, 4c, 4d, et au moins deux plaques coulissantes 4a, 4b, 4c, 4d peuvent être déplacées à une vitesse programmée, sur 3025644 5 une course minimale de 100 mm par plaque coulissante. Les plaques coulissantes 4a, 4b, 4c, 4d sont déplacées à l'aide de moteurs pas-à-pas M10 à M13, et les plaques coulissantes 4e, 4f, 4g, 4h, disposées contre le côté longitudinal 8 opposé au côté longitudinal 4 du bac à sable 1, à l'aide des moteurs pas-à-pas M14 à M17.

5 Le bac à sable 1 est de préférence imperméable à l'eau et à l'échantillon de sol 5, ces derniers ne pouvant être évacués de l'installation que par une tubulure d'évacuation 6. Tous les déplacements du bac à sable 1, à savoir son déplacement autour 10 des axes T1, T2, T3, sont commandés par un programme, et sont réalisés à l'aide d'un ordinateur et de moteurs pas-à-pas électriques M1, M2, M3. Cela permet la modélisation de modifications très lentes, ainsi que très rapides. Les éléments mobiles peuvent provoquer des surélévations, des abaissements, ou encore des effets de forces de cisaillement. La commande de l'étendue du déplacement est mise 15 en oeuvre, dans une forme de réalisation avantageuse, à l'aide de télémètres laser 7 (p.ex. Leica Disto D3aBT), avec rétroaction automatique et de préférence par une liaison Bluetooth. Le bac à sable 1 selon le modèle d'utilité peut être observé en vue de côté sur 20 la Figure 2, et on voit que le mouvement des zones 3a, 3d, 3e peut être réalisé avec les moteurs pas-à-pas M4, M5, M6. Les zones 3b, 3c, 3f peuvent être mises en mouvement d'une manière analogue. Pour détecter les processus qui se déroulent pendant la modélisation, on utilise deux approximations. D'une part, on enregistre toutes les informations d'image, ainsi que les paramètres physiques des processus 25 se déroulant dans l'espace de modélisation au-dessus de la surface plane 2. Le déroulement de l'expérience est documenté à l'aide d'appareils photographiques, dans cette forme de réalisation à l'aide de huit appareils photographiques F1 à F8 (p.ex. CANON 1110 D). Les appareils photographiques sont disposés sur un système de console K, en étant écartés les uns des autres des distances t1 à t7, 30 auquel cas, dans un réglage de base, ces distances t1 à t7 sont de 30 cm, et les appareils photographiques sont disposés à une hauteur de 1,2 m au-dessus de la surface plane 2. Le chevauchement des images est de 80 % pour une distance focale de 18, ce qui permet une imagerie 3D. Les appareils photographiques F1 à F8 3 0 2 5 6 4 4 6 sont commandés par un ordinateur Cl par l'intermédiaire de leur liaison USB. La position effective du liquide utilisé dans l'expérience, avantageusement l'eau, la position du ou des fonds de lit actifs dans l'échantillon de sol 5, les vitesses 5 de l'eau, ainsi que la tendance horizontale de l'humidité du sol, sont déterminées à l'aide d'une caméra thermique H (p.ex. Varioscan 3021 ST) fixée au système de console K, de telle sorte qu'un liquide F, de préférence de l'eau à une température s'écartant de la température de l'échantillon de sol 5, provenant d'une source de liquide, soit envoyée sur l'échantillon de sol 5, la source de liquide F étant dans ce 10 cas raccordée à un appareil de chauffage du liquide, qui n'est pas représenté sur le dessin. L'expérience peut aussi être mise en oeuvre avec un liquide qui présente une température plus faible que la température de l'échantillon de sol 5, par raccordement de la source de liquide F à un appareil de refroidissement du liquide, non représenté sur le dessin. La zone de détection de la caméra thermique H tombe 15 avantageusement entre 8 et 12 pm, et la résolution de la caméra thermique H en température est de ± 0,003 K. Sous l'effet de l'utilisation d'un liquide ayant une température s'écartant de la température de l'échantillon du sol 5, il est possible que le liquide, après un important 20 réarrangement de l'échantillon de sol 5, ne soit pas d'abord éliminé du bac à sable 1 en passant par la tubulure d'évacuation 6, mais soit réintroduit, pour ensuite devoir de nouveau être éliminé, pour observer les autres réarrangements importants de l'échantillon de sol 5 et saisir les données, par exemple à l'aide d'un scanner à plat, car le réarrangement de l'échantillon de sol 5 peut être observé en continu à l'aide de 25 la caméra thermique H, et peut être enregistré dans le temps. La modification de l'humidité du sol dans la direction en profondeur est mesurée à l'aide de capteurs (p.ex. de la Fabrication Decagon, Decagon Devices Inc. Pullman, WA, Etats-Unis), disposés contre le système de console K et, de là, 30 pénétrant dans l'échantillon de sol 5, les données étant alors mémorisées dans des mémoires électroniques de données (p.ex. Decagon EM50). L'échantillon de sol 5 pour les expériences de modélisation, par exemple 3025644 7 individuellement fini, trié en fonction de sa couleur, de sa densité, ainsi que de sa granulométrie, est accumulé sur la surface plane 2. Par exemple, des particules 1 grises et noires, ou des déchets de basalte et d'andésite ayant une granulométrie de 0,8 mm. Dans la classe 0,6 mm, on utilise du marbre rouge, et dans la classe 0,2 mm 5 du calcaire de couleur beige. La commande du bac à sable 1, ainsi que la formation des images et la saisie des données, sont réalisées dans deux ordinateurs C1, C2, qui sont électroniquement reliés l'un à l'autre, ainsi qu'aux moteurs pas-à-pas M1 à M7, aux 10 appareils photographiques Fl à F6, à la caméra thermique H, aux télémètres laser 7, ainsi qu'au débitmètre (non représenté) de la source de liquide F. La source de liquide F est avantageusement par exemple une colonne d'eau statique ayant une hauteur de 1 m, qui bouge en même temps que le bac à sable, et l'appoint d'eau est obtenu avec de l'eau qui est amenée par l'intermédiaire d'un appareil de chauffage 15 de l'eau ou d'un appareil de refroidissement de l'eau, non représenté sur le dessin. Le bac à sable 1 selon le modèle d'utilité a été testé au cours d'une expérience fondamentale, dans le cadre d'un essai utilisant des paramètres simplement choisis. L'espace de modélisation, délimité par les plaques d'extrémité 20 9a, 9b et les côtés longitudinaux 4, 8 de la surface plane 2 a été incliné de 4 degrés autour de l'axe T1. En tant qu'installation de départ, on a utilisé un échantillon de sol 5 de 8 cm. Les photographies, ainsi que les images thermiques enregistrées, ont été réalisées toutes les 30 secondes.

25 La totalité de l'échantillon de sol 5 a été uniformément pré-humidifiée avec un embrun fin présentant un niveau d'humidité de 40 %. Pour assurer un déroulement plus rapide du processus, on a réalisé un lit de fond, ayant une profondeur de 2 cm et une section transversale triangulaire le long de l'axe T2, car, d'après notre expérience antérieure, en l'absence d'une vallée préformée, on ne pouvant en arriver 30 à une accumulation dans le lit de fond et à la forme finale du lit de fond, qui est visible sur la Figure 3. Pour déterminer les vitesses d'écoulement de l'eau, ainsi que les lits de fond 3025644 8 actifs, on a utilisé des photographies thermiques, qui ont été prises à l'aide d'une caméra thermique H, car, sur les thermophotographies, on peut parfaitement percevoir les fronts de mouvements de l'eau chaude injectée, et on peut bien en déduire la vitesse du mouvement. Pour une détection plus précise, on injecte 5 périodiquement de l'eau bouillante dans le système (voir la Figure 4). C'est à partir des photographies obtenues avec une périodicité d'une demi- minute que l'on a établi les modèles 3D (voir la Figure 5). La modification des sections transversales (voir la Figure 6), ainsi que la périodicité des réarrangements 10 du matériau, ont été étudiées à l'aide de ces enregistrements. De l'analyse du modèle réalisé en tant que résultat de l'expérience, on peut tirer une conclusion selon laquelle ce modèle représente d'une manière typique les caractéristiques des lits de rivière tressés (voir la Figure 7). Dans un sédiment non- 15 cohésif, une augmentation du débit de l'eau de la rivière va former des lits de rivière s'élargissant progressivement. Cela permet une bifurcation du lit, et la création de zones de faible profondeur, qui représentent les conditions du développement d'un lit tressé.

20 Les expériences effectuées avec des conditions aux limites qui décrivent directement la réalité, ainsi que leurs résultats quantifiés, offrent les possibilités suivantes : - précision du paramétrage spatial (ne se fondant pas sur des mesures effectuées sur des points discrets) ; 25 - modélisation à long terme, éventuellement influencée par des événements tectoniques, de processus qui ont lieu dans le lit des rivières et dans les zones d'inondation ; - suivi, soutenu grâce à des mesures, des modifications des masses et des volumes ; 30 - modélisation et planification de la réhabilitation de zones d'inondation ; - quantification complète et à haute résolution des processus.

3025644 9 L'avantage du bac à sable 1 selon le modèle d'utilité, par comparaison avec les systèmes physiques utilisant de petits échantillons, réside ainsi dans le fait que ce bac à sable convient complètement à une modélisation continue des processus, et à leur traitement informatique complet. 5

Claims (6)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif pour surveiller l'activité de liquides modifiant un paysage sur la base d'un modèle, contenant un bac à sable (1), pouvant tourner autour d'au moins deux axes (T1, T2) courant perpendiculairement l'un à l'autre, bac qui, en étant délimité par des plaques d'extrémité (9a, 9b), une surface plane (2) et des côtés longitudinaux (4, 8), convient à la réception d'échantillons de sol (5), et qui dispose d'une source de liquide (F) et d'une tubulure d'évacuation (6), caractérisé en ce que la surface plane (2) du bac à sable (1) est configurée avec des zones (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f), qui peuvent subir un mouvement perpendiculairement à la surface plane (2), les côtés longitudinaux (4, 8) du bac à sable (1) sont pourvus de plaques coulissantes (4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f, 4g, 4h) pouvant subir un mouvement perpendiculaire aux côtés longitudinaux (4, 8), un système de console (K) est disposé au-dessus du bac à sable (1), système sur lequel est fixé au moins un appareil photographique (F1, F2, F3, F4, F5, F6, F7, F8) raccordé à un ordinateur (C1, C2), ainsi qu'une caméra thermique (H), et le bac à sable (1) est pourvu d'une source de liquide (F), qui envoie sur l'échantillon de sol (5) un liquide ayant une température s'écartant de la température de l'échantillon de sol (5).
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif est pourvu de télémètres laser (7), qui sont raccordés à l'ordinateur (C1, C2) et commandent l'importance des mouvements du bac à sable (1).
3. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que de nombreux appareils photographiques (F1, F2, F3, F4, F5, F6, F7, F8) sont disposés sur le système de console (K), à des distances réciproques variables (t1 à t7).
4. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la source de liquide (F) est raccordée à un appareil de chauffage du liquide.
5. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la source de liquide (F) est raccordée à un appareil de refroidissement du liquide. 3025644 11
6. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'une colonne statique d'eau, pouvant subir un mouvement en même temps que le bac à sable (1), forme la source de liquide (F).