La fluorimétrie appliquée à la mesure du débit en milieu torrentie Use of fluorometric techniques for streamflow measurements in turbulent mountain stteams

Résumé

L'utilisation de traçeurs pour la mesure des débits n'est pas un concept nouveau. Néanmoins les applications pratiques sont peu répandues, les méthodes au moulinet étant préférées, dans la plupart des cas, bien qu'elles s'avèrent souvent de mise en oeuvre difficile, surtout en régime torrentiel. C'est dans le cadre particulier d'études des transferts de pollution dans des bassins versants montagnards, que nous avons été amené à développer un dispositif de mesure intégré des débits basé sur des traçages à la rhodamine.

Nous avons choisi la rhodamine wt pour son innocuité vis-à-vis de l'environnement et sa faible affinité pour les matières en suspension (MES).

Un fluorimètre équipé d'une cuve à circulation, plaçé près de la rivière, permet de suivre en continu et in situ le signal de fluorescence. La mesure de la fluorescence permet de définir la concentration moyenne et le temps de passage du nuage et par conséquent le débit Q = M/ (Cm * t).

La précision de la méthode dépend du soin avec lequel l'étalonnage au laboratoire a été effectué.

On définit tout d'abord la constante spécifique du colorant en faisant varier température et concentration de rhodamine wt dans plusieurs solutions étalons. La constante de la rhodamine a été évaluée à :

n = -0.024°C^-1

et la fluorescence ramenée à 10 °C à :

F_s = F_t.e^-0.024(ts-t)

La relation entre concentration et fluorescence est :

Cµg. l^-1 = 0.0047 F^1.0049

La présence de matières en suspension (MES) a pour effet de diminuer la fluorescence du colorant. Mesurée dans des solutions d'eau, de rhodamine wt (0 à 0.3 µg. l^-1) et de MES (0 à 2 g. l^-1), la fluorescence de la rhodamine wt, pour les conditions extrêmes, est sous estimée de 6 %.

La méthode de mesure des débits par coloration à la rhodamine wt a été appliquée à quelques rivières du Chablais (bassin versant du Léman) et, en particulier, a permis de définir la relation hauteur-débit de la transe au pont de Vongy.

Mots-clés:

• Débitmétrie,
• rivières,
• fluorimétrie,
• traçeurs fluorescents

Abstract

Though the use of tracers for water discharge measurements is not a new concept. Measurements with current-meters are easier and commonly used. Current-meters are however difficult to apply, especially in torrential regimes. To measure water discharge in mountain watersheds, we have developped an integrated device using rhodamine-wt as a tracer. The rhodamine-wt is nontoxic at the levels employed, has low sorption tendencies, and ifs determination of low concentrations (0.01 ppb) can be clone with fluoroemtric techniques.

Fluorescence intensity decreases with increasing temperature and can be formulated, according to Feuerstein and Selleck (1963) as :

FS = Ft. e^n(ts-t), where n = 10^{((logFs-log Ft)/(ts-t)}

In the laboratory, in order to determine the constant n for rhodamine-wt we worked with three solutions of rhodamine-wt (0.115, 0.23 and 0.46 µg · l^-1) with increasing temperature from 5 to 17.5 °C. Thus we found :

n = -0.024. °C^-1.

In the same way, we established the relationship between concentration and fluorescence. For rhodamine concentrations between 0 and 1 µg · l^-1 and concentration of suspended matter between 0 and 2 µg · l^-1 this relation is :

C µg · l^-1 = 0.0047 x F^1.0049

Rhodamine-wt has low sorption tendencies, nevertheless we measured the attenuation effect due to the presence of suspended matter in the pumped water. In the range of 0.2 to 2 g · l^-1 of suspended matter (diameter < 200 µm), with rhodamine-wt concentrations of less than 0.3 µg · l^-1, we found the water discharge was overestimated of 6.4 % at most.

In the field, we have organized a continuous survey of tracer concentrations in the river using the fluorometer with a continuous-flow attachment. The fluorescence signal was recorded using a plotter and a computer. When all the dye has passed through the sampling site, the operator starts the automatic calculation process of the mean concentration and the transit time of the dye to obtain finally the water discharge.

In this way, the total recovery method enables us to measure water discharge several times during a flood and to obtain easily and quickly the stage-discharge relation even for flood crest. This device has been applied on various rivera in the French part of the lake Geneva watershed, for a large range of waster discharges from 0.1 m³ · s^-1 to 300 m³ · s^-1.

Keywords:

• Fluorometric analysis,
• fluorescent tracer,
• water discharge measurement