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7 mars 2013.

Du nilomètre aux ultrasons

L’hydrométrie suisse célèbre cette année un siècle et demi (...)

L’hydrométrie suisse célèbre cette année un siècle et demi d’observations du débit des cours d’eau et du niveau des lacs et des nappes phréatiques. En fait, il y a belle lurette que les riverains des grands fleuves ont appris à évaluer leurs fluctuations. Les Égyptiens avaient déjà imaginé une façon très concrète de mesurer les hauteurs de crues du Nil.

Le nilomètre, puisqu’il faut l’appeler par son nom, est peut-être apparu en même temps que l’écriture. Ses plus anciennes réalisations, précise l’architecte-archéologue Isabelle Hairy (1), consistaient en un escalier taillé dans la roche, descendant dans le sol jusqu’en-dessous du niveau d’étiage du fleuve et communiquant directement avec le cours d’eau ou indirectement par ses eaux d’infiltration. Plus tard, les nilomètres prirent la forme de puits ou de bassins intérieurs reliés au fleuve par un canal souterrain ou alimentés par la nappe phréatique.

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Nilomètre de l’île d’Éléphantine, sur le Nil,
à Assouan
(photo Hajor, Creative Commons cc-by-sa 1.0)

Plusieurs de ces nilomètres semblent avoir encore servi pendant plusieurs siècles, même après la conquête musulmane, mais les aménagements modernes du Nil comme la création du lac Nasser et du Haut-Barrage d’Assouan les ont définitivement relégués à l’état d’édifices archéologiques. Les échelles de mesure gravées dans la pierre étaient graduées en coudées, la cote zéro correspondait au plus bas niveau d’étiage du fleuve et l’échelle nilométrique comportait également des indications sur le niveau des crues les plus importantes.

Toutefois les nilomètres ne servaient pas seulement à suivre la progression et le retrait des eaux du Nil, mais aussi à prévoir la surface des terres qui seraient inondées puis cultivées, et à ‘budgéter’ du même coup les recettes d’impôts qu’amèneraient les récoltes. Du côté d’Alexandrie, grâce aux nilomètres, on pouvait évaluer la quantité d’eau qui remplirait les nombreux puits et citernes de la ville et se préparer, le cas échéant, à constituer des réserves suffisantes d’eau potable. Ces observations permettaient aussi de prévoir les périodes favorables à la navigation sur le canal et au transit des marchandises par le port.

Cette remarque, enfin, d’Isabelle Hairy, sur cet outil qui avait aussi une fonction régulatrice : "Il permettait sans doute de contrôler la quantité d’eau arrivant dans la ville et de la comparer avec ce qui avait été mesuré en amont. N’est-ce pas là la marque de la volonté étatique de gérer le partage des eaux, de prôner la coopération régionale, et d’assurer le droit de l’eau à tous les territoires du pays ? Ce partage des informations devait engendrer une confiance entre riverains, ce qui concourait à la stabilité politique du pays." Voilà qui mérite d’être noté alors que les Nations Unies ont placé l’année 2013 sous le thème de la coopération dans le domaine de l’eau.

Limnimètres, moulinets, dopplers et autres

L’héritier moderne du nilomètre a pour nom ‘limnimètre’ (du grec ‘limné’, eau stagnante). Il s’agit généralement d’une échelle graduée inscrite sur un plan vertical ou incliné en métal, en pierre, voire en bois, qui permet de lire ponctuellement et à l’œil nu, centimètre par centimètre, le niveau d’eau d’un cours d’eau, d’un lac ou d’un étang. Le zéro de l’échelle doit évidemment se trouver au niveau d’étiage le plus bas possible. Pour bénéficier d’une lecture de niveau permanente, on recourt à des ‘limnigraphes’ qui retranscrivent sur un support (papier ou électronique) un enregistrement continu des variations de niveau d’eau.

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Mesure du débit en 1944 : une équipe composée d’un ingénieur, d’un secrétaire, d’un auxiliaire et de pontonniers traverse l’Aar sur deux barques plates. Le moulinet hydrométrique attaché à une perche était placé dans l’eau. (Photo © Archives OFEV)

Techniquement parlant, il existe toute une panoplie de méthodes pour mesurer le débit d’un cours d’eau, c’est-à-dire le rapport entre le volume de liquide et le temps de passage, exprimé généralement en mètres cubes par seconde. Pour de petits débits, on peut par exemple calculer le temps qu’il faut pour remplir un réservoir dont on connaît le volume précis (on retrouve ici les fameux problèmes scolaires de robinets). On peut aussi injecter dans le cours d’eau une solution colorée et observer en aval comment elle se dilue dans le courant.

La méthode la plus fréquente aujourd’hui est celle qui consiste à mesurer la vitesse de l’écoulement en plusieurs points de la section du cours d’eau (dans sa profondeur et sa largeur) et en tenant compte aussi de sa surface. Cela suppose toutes sortes d’appareils qui vont du moulinet monté sur un saumon hydrométrique aux systèmes Doppler à ultrasons en passant par des flotteurs, des perches, des mesureurs de pression et autres capteurs, ce qui implique évidemment des compétences techniques pour les mettre en œuvre.

Un siècle et demi d’hydrométrie suisse

En Suisse, les niveaux d’eau n’ont pas été mesurés systématiquement avant le 18e siècle. Daniel L. Vischer, professeur à l’École polytechnique fédérale de Zürich, note que "lors d’événements extrêmes, on apposait parfois un repère correspondant au maximum atteint, en l’assortissant de l’année de la crue. La halle aux grains de Rorschach porte une des plus anciennes marques de Suisse, qui atteste le niveau extrême atteint par le lac de Constance en 1566." (2) Dès le début du 19e siècle, des limnimètres apparaissent progressivement sur les rives lacustres, notamment à Genève, Zurich et Neuchâtel. À la même époque, on se mit aussi à faire des mesures hydrométriques lorsqu’il fallut entreprendre les premiers grands travaux de correction de la Linth ou de l’Aar entre Thoune et Berne.

Ce n’est qu’en 1863 – il y a donc précisément 150 ans – que l’harmonisation des récoltes de données hydrologiques entre les différentes stations de mesures, qui jusque-là n’avaient aucun lien entre elles, commence à se mettre en place avec la Commission hydrométrique créée sous les auspices de la Société suisse des sciences naturelles, puis un office central qui sera repris par la Confédération une dizaine d’années plus tard.

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Le Doppler à ultrasons monté sur un flotteur permet aux techniciens
de rester sur la rive
(Photo © Archives OFEV)

Les données recueillies ont alors permis de réaliser des projets de protection contre les crues, telle la correction des eaux du Jura, dont les travaux se sont étendus de 1868 à 1891 et ont porté sur plus de 100 kilomètres de rivières. Par la suite, les relevés ont également rendu de grands services aux centrales hydroélectriques et à la navigation. Au fil des décennies, le réseau d’observation s’est agrandi de nombreux sites, mais son champ d’application s’est également ouvert à la récolte de données supplémentaires telles que la température, les matières en suspension et d’autres qualités physiques et chimiques de l’eau.

De ce fait, les services hydrologiques disposent aujourd’hui d’une base de données fiables sur les étiages et les crues, récoltées sur une très longue période, trouvant des applications fort diverses comme la gestion des ressources en eau, la protection contre les inondations, l’information des organismes de secours et des services de protection civile, l’exploitation des ouvrages hydroélectriques, la prévision de scénarios sur les changements climatiques, ou encore l’élaboration de grands projets d’aménagement tel celui de la troisième correction du Rhône.

Aujourd’hui, le relevé et l’analyse des données et des statistiques hydrologiques sont du ressort de l’Office fédéral de l’environnement (OFEV) et de sa Division Hydrologie qui gère quelque 260 stations sur les rivières et les lacs. Bon nombre de ces stations sont consultables électroniquement à distance et de nombreuses données peuvent être rapidement diffusées via internet ou par SMS. En outre, un bulletin fait chaque semaine le point de la situation hydrologique et émet des prévisions de niveaux d’eau et de débits.

On n’a pas fini d’en apprendre

"Malgré l’électronique et les méthodes modernes, lit-on dans l’article consacré par le magazine ’Environnement’ à ces 150 ans de l’hydrométrie en Suisse (3), les spécialistes de l’hydrométrie sont loin d’être désœuvrés. Ils doivent en particulier déterminer les quantités d’eau charriées par les rivières, ce qui n’est pas sans risques en période de crues. Sur place, des personnes appelées observateurs de niveaux donnent par ailleurs un sérieux coup de pouce aux services fédéraux en vérifiant une à deux fois par semaine le bon fonctionnement des stations."

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Exemple de relevé hydrométrique
sur le Rhin à la station de Bâle Rheinhalle
le 7 mars 2013 à 13 heures :
en bleu, le débit : 857 m3/s
en noir, le niveau d’eau : 245,55 msm
Comparer avec les données actuelles

Aux travaux de la soixantaine de personnes qu’occupe l’OFEV dans le domaine de l’hydrologie, il convient d’ajouter les contributions d’autres organismes comme l’Office fédéral de la météorologie et de la climatologie, l’Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage ou encore les Écoles polytechniques fédérales et les universités dont les chercheurs semblent de plus en plus s’intéresser aux problèmes de l’évolution des régimes hydrologiques et de leurs impacts sur la gestion des eaux.

"Toutes ces activités, lit-on encore dans l’article déjà mentionné, servent à mieux maîtriser l’eau, précieuse ressource à la puissance parfois dévastatrice, et à préserver sa qualité. Les spécialistes n’ont d’ailleurs pas fini d’en apprendre sur cet élément vital. L’un des gros défis consiste aujourd’hui à prévoir l’influence que les changements climatiques exerceront sur les débits saisonniers. Dans ce domaine, la Suisse pourra s’appuyer sur les travaux de ses pionniers : rares sont les pays qui disposent de séries de mesures aussi longues, pourtant indispensables pour établir les scénarios appropriés."

Bernard Weissbrodt

Notes

(1) L’essentiel des informations sur le nilomètre est extrait de l’ouvrage "Du Nil à Alexandrie, Histoires d’Eaux" (catalogue de l’exposition temporaire du même nom au Laténium de Hauterive-Neuchâtel, 2009-2010) et plus particulièrement du chapitre ‘Les nilomètres, outils de la mesure du Nil’, rédigé par Isabelle Hairy, architecte-archéologue.
(2) Daniel L. Vischer, "Histoire de la protection contre les crues en Suisse - Des origines jusqu’au 19e siècle", Rapports de l’OFEG, Série Eaux, No 5, Berne, 2003
(3) Mirella Judith Wepf, "L’hydrométrie a 150 ans – Un réseau indispensable", OFEV, Magazine environnement, 1/2013, pp.54-56, [Voir >http://www.bafu.admin.ch/dokumentation/umwelt/12512/12552/index.html?lang=fr]

- En savoir plus dans les pages web de la Division Hydrologie de l’OFEV
- Les photos d’archives de l’OFEV sont publiées avec l’aimable autorisation de Beat Sigrist, conseiller scientifique de la Division Hydrologie de l’OFEV.




Infos complémentaires

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Station fédérale de mesures hydrologiques sur le Rhône à la Porte du Scex, en Valais (photo aqueduc.info)

:: La Section Hydrométrie
de l’Office fédéral
de l’environnement

- projette, construit, gère et entretient toutes les stations de mesure des cours d’eau, des lacs et de la nappe phréatique ;
- effectue des relevés sur le terrain, en particulier des relevés des débits moyens, des hautes et basses eaux ;
- établit les courbes de niveau et de débit et calcule les débits extrêmes ;
- gère les postes d’alarme ainsi que l’organisation de l’alarme ;
- perfectionne les méthodes et les appareils de mesure existants et en développe de nouveaux ;
- conseille des tiers sur la construction de stations de mesure et sur les méthodes de mesure des débits, effectue des mesures de débits pour d’autres services ;
- représente l’institut suisse de normalisation dans des comités techniques internationaux.
(Source : site de l’OFEV)


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Limnimètre sur le Rhône à sa sortie de Suisse à Chancy (photo aqueduc.info)


- Journées portes ouvertes des stations suisses de mesure hydrométrique

Ces prochaines semaines, des stations de mesure hydrométrique des différentes régions de Suisse seront ouvertes au public plusieurs samedis après-midi de 13 à 16 heures, entre autres : le 11 mai sur la Sarine à Fribourg, le 25 mai sur l’Arve à Genève (Bout du Monde) et le 1er juin sur le Rhône à la Porte du Scex (Valais). Détails disponibles sur le site de l’OFEV

- 4-6 avril 2013,
Journées de l’hydrologie à l’Université de Berne

Pour sa 15e édition, la Journée de l’hydrologie créée et organisée en Allemagne par Fachgemeinschaft Hydrologische Wissenschaften se déroulera pour la première fois en Suisse sur le thème : "L’hydrologie - de la station de mesure à l’application des résultats. Les ressources en eau dans le changement global". Une demi-journée sera consacrée aux 150 ans de l’hydrométrie suisse. En savoir plus (en allemand) sur le site de l’Université de Berne

Mots-clés

Mot d’eau

  • Eurêka !

    Comment mieux exprimer l’ivresse dont la raison, heureuse, fait flotter dans l’eau et l’intuition, bienheureuse, léviter dans l’air ? Archimède sentit le mouvement et se leva de l’émotion de ces deux éléments, comme s’il entendait le murmure des ondes et la vibration du vent. Et j’entends eurêka comme ce triple écho et du corps et de l’air et de l’eau. (Michel Serres [décédé le 1er juin 2019], "Biogée", 2010)

Glossaire

  • Karst

    Ce mot, dérivé du nom d’un haut-plateau des Balkans, s’applique à un relief ou à un massif dont les roches calcaires ont été fortement érodées par l’eau, en surface (dolines, emposieux, lapiaz, etc.) et en profondeur (cavernes, grottes, gouffres, etc.), ce qui se traduit aussi au fil des infiltrations en sous-sol par des structures très complexes de circulation d’eau et de résurgences. Ces formes géologiques portent ici et là différents noms, telles les "causses" dans le Massif central français.


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