[PGRN] [Programme de recherche départemental]

Projet CG38 - PGRN piloté par le Cemagref ETNA

Titre du projet

Dynamique des avalanches : Utilisation de la réflectométrie dans le domaine temporel (TDR) pour mesurer la densité et la teneur en eau liquide dans la neige et les avalanches

Type d'aléa
Glace, neige et avalanches
Année

1997

Mots-clés
Avalanches - Teneur en eau - Densité - Mesure simultanée - Réflectrométrie - TDR
Champs disciplinaires
Nivologie, physique, métrologie


1) Organismes et auteurs


Organisme pilote
Cemagref ETNA
Organisme(s) associé(s)
CEN - LTHE
Coordonnateur
Philippe REVOL
Participants
Mohamed NAAIM


2) Contexte du projet


Site(s) d'étude
Mesures de TEL et de densité de la neige au col de Porte et installation d’un capteur pour étalonnage dans le couloir expérimental du col du Lautaret
Contexte de l'étude
La prévision du risque d’avalanche a beaucoup évolué ces dernières années, notamment avec l’utilisation de modèles numériques pour simuler l’évolution du manteau neigeux et des risques d’avalanches. Cependant certains aspects sont encore mal connus, c’est le cas des phénomènes liés à l’humidification de l’eau dans la neige. Dans les avalanches, la densité de la neige est un paramètre fondamental, elle intervient en génie paravalanche, où elle sert à calculer les efforts sur les ouvrages de protection, ainsi que dans la modélisation des écoulements. Or, les techniques de mesure de densité et de teneur en eau liquide (TEL) dans la neige ne sont adaptées ni à des mesures dans la neige en mouvement ni au suivi dans une couche du manteau neigeux. Par ailleurs, les méthodes de mesure de la TEL nécessitent de connaître préalablement la densité.

La Méthode TDR (Time Domain Reflectrometry) permet de mesurer la permittivité apparente K d’un milieu, elle repose sur la mesure de la vitesse de déplacement d’une onde électromagnétique (fréquence de 1 GHz) le long d’un guide d’onde inséré dans ce milieu. Elle est utilisée depuis une dizaine d’années pour mesurer la teneur en eau des sols et pourrait être un nouveau moyen pour mesurer simultanément TEL et densité de la neige.

Depuis longtemps la relation entre K et la densité de la neige a été établie. Une relation a aussi été établie entre K et le couple [densité, TEL], c’est sur ce principe qu’est basé l’appareil de mesure de TEL dans la neige développé par le CEN (mesure capacitive). Des mesures effectuées sur le terrain par le SLF (Institut pour l’Etude de la Neige et des Avalanches) à Davos et en chambre froide par le CEN ont permis de calibrer un appareil TDR Tektronix pour la mesure de la densité de la neige dans le cas des neiges sèches, la précision de la mesure est d’environ 15 kg/m3. D’autres mesures réalisées par le Cemagref avec un appareil Trase donent un résultat équivalent. Les récents développements effectués au LTHE sur le traitement du signal de réflectrométrie permettent de récupérer la permittivité complexe du milieu à partir d’une seule mesure. Des premiers essais sur des échantillons de béton cellulaire et de roche ont permis d’étudier les effets de la teneur en eau et de la densité sur le mode de dispersion de la permittivité.
Programme plus vaste
 
Initiation du projet
Projet initié par le PGRN
Participation du PGRN
Montant du financement (k€)
7,622 k€ (50 kF)
Part du CG38 - PGRN
~ 30 %
(Co)-Financements
 
Appréciation du rôle du financement CG38 - PGRN
Utilisé pour l’instrumentation et les essais in situ.


3) Objectifs, méthodes et résultats

Objectifs
- Appliquer les nouveaux traitements du signal TDR au matériau neige afin d’obtenir en une seule mesure les valeurs de densité et de teneur en eau de la neige.

- Adapter les sondes de l’appareil TDR à des mesures dans les avalanches.
Méthodologie
1) Mesure de la teneur en eau
- Amélioration (VisualBasic) du logiciel utilisé pour analyser les signaux de réflectrométrie dans le domaine fréquenciel (spectrométrie d’impédance (TDS), technique permettant d’obtenir la partie réelle K’ et la partie imaginaire K’’ de la permittivité K).

- Campagne de mesure simultanée de la teneur en eau et de la densité de la neige au col de Porte durant l’hiver 1997-1998, dont l’analyse par TDS devait renseigner sur sa faisabilité.

- Mesures en laboratoire de la teneur en eau d’échantillons par la méthode calorimétrique et de leur densité par gravimétrie, puis traitement classique du signal TDR.

2) Mesure dans une avalanche
- Conception et installation dans le couloir expérimental du col du Lautaret (automne 1998) d’un capteur de résistance mécanique suffisante (sonde bifilaire plaquée sur de polyéthylène d’épaisseur 30 mm), relié par 30 m de câble coaxial à l’appareil Tektronix piloté par un ordinateur. Ecriture d’un logiciel de pilotage (QuickBasic) afin de faire un suivi en continu de la mesure avec enregistrement seulement en cas de variation de celle-ci (avalanche).

- Etalonnage du capteur (printemps 1999) réalisé sur le terrain au col du Lautaret par des mesures comparées entre le capteur (sonde A) et une sonde bifilaire classique de même configuration (sonde B), en neige sèche avec un contraste suffisant de densité.
Résultats
1) Mesure de la teneur en eau
Le logiciel permet d’utiliser maintenant aussi bien un traitement TDR classique, TDS ou la déconvolution du signal pour obtenir un profil le long de la sonde, ceci pour deux appareils TDR (Trase et Tektronix).
- Obtention d’un graphique de la permittivité réduite (calculée à partir de la densité) mesurée par TDR en fonction de la teneur en eau mesurée par calorimétrie (résultats satisfaisants compte tenu de la gamme réduite de teneur en eau).

2) Mesure dans une avalanche
Le capteur réalisé permet d’acquérir 25 mesures au passage de l’avalanche avec une fréquence de 1 mesure en 1 à 2 secondes (qu’il convient d’améliorer par optimisation du logiciel).
- Les résultats de l’étalonnage par mesures comparées ne sont pas satisfaisant : le capteur (sonde A) détecte la présence de neige mais ne paraît pas du tout sensible à sa densité (soit l’influence du polyéthylène sur la mesure est trop importante, soit le contact des électrodes est moins bon quand la neige est plus dense, malgré les précautions prises). Cet étalonnage peut être amélioré avec des tests non plus dans la neige mais dans des milieux liquides de permittivité connue.


4) Débouchés du projet

Utilisateurs finaux potentiels
Chercheurs en nivologie : Cemagref, CEN, LTHE
Production scientifique
- Méthodologie innovante
Produits délivrables
 
Partenariats
- Préexistant
- Qui se poursuit
Retombées du projet
 


5) Valorisation du projet

Publications et communications
- T. Blom-Hagen, 1997, VisualTDR : a software for TDR signal analysis. Master Thesis NTNU (Norvège) / LTHE.

- Ph. Revol, J.-M. Taillandier, 1997, Propriétés diélectriques et densité de la neige : application de la réflectométrie dans le domaine temporel (TDR), Journées SHF, Grenoble, 6-7 / 3.

- M. Scneebeli, C. Coléou, F. Touvier, B. Lesaffre, 1998, Measurements of density and water content in snow using time domain reflectrometry, Annals of Glaciology, 26, 69-72.
Pages Web
 

 

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