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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 |
| 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 |
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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. |
| 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 |
|
Partenariats |
-
Préexistant
- Qui se poursuit |
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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