YSI Evaluation Des Performances Du RS5 - French Mode d'emploi

Note Technique
SonTek, a Xylem brand
•
XA00135
SonTek RS5:
Évaluation des performances grâce aux données de
terrain
Dr. Xue Fan, Ingénieur d’Application Sénior
Mesure par jaugeage du débit du RS5, Royaume-Uni
Introduction
Le SonTek RS5, sorti en août 2020, est le dernier
membre de la famille des profileurs de courant
acoustiques à effet Doppler (ADCP) RiverSurveyor. Le
RS5 s’appuie sur la technologie acoustique développée
pour le RiverSurveyor M9/S5, tout en ajoutant des
capacités étendues grâce à ses transducteurs BroadBand,
son ping auto-résolu à Pulse Coherent et sa conception
créative pour obtenir les meilleures données possibles pour les
mesures de débit. Le matériel et le logiciel du RS5 ont bénéficié
de nombreuses années de commentaires et de suggestions de la
part des clients. En utilisant une électronique moderne, SonTek a
construit l’ADCP le plus compact, le plus portable, le plus léger et
le plus convivial pour les mesures de débit en eaux peu profondes.
Cette note technique présente certains aspects techniques du
RS5 et souligne ses capacités sur le terrain en montrant des
comparaisons de données utilisant d’autres systèmes ADCP sur
une grande variété de sites différents. Les données présentées
dans cette note technique ont été utilisées pour le développement
des algorithmes acoustiques du RS5 et pour optimiser les
performances des mesures de débit à faible profondeur.
1
RS5
SonTek:
Fondée en 1992 et faisant progresser la science
environnementale dans plus de 100 pays, elle fabrique des
instruments Doppler acoustiques abordables et fiables pour
la mesure de la vitesse de l’eau dans les océans, les rivières,
les lacs, les ports, les estuaires et les laboratoires.
Le siège social est situé à San Diego, en Californie. SonTek
fait partie de Xylem, Inc. une société qui fournit des
instruments de surveillance et de collecte de données aux
marchés mondiaux de la qualité et de la quantité de l’eau et
de l’aquaculture.
Informations complémentaires :
Pour plus d’informations sur SonTek, visitez SonTek.com, ou
envoyez directement un courriel à SonTek à inquiry@SonTek.
com.
SmartPulse+
Au coeur du RS5, le traitement acoustique est une toute nouvelle combinaison d’algorithme de ping
Broadband/Pulse-coherent utilisant de nouveaux transducteurs Broadband. Comparé au M9/S5présentant des transducteurs Narrow-Band capables d’émettre un signal Pulse Coherent et Incoherent,
la capacité acoustique du RS5 est étendue pour permettre des combinaisons complexes de Broadband
et de signaux acoustiques hybrides Pulse-coherent qui se traduit par quatre types de ping spécialisés
par échantillon. L’algorithme SmartPulse+ utilise la profondeur détectée pour chaque échantillon et
configure automatiquement les paramètres appropriés pour les quatre types de ping. L’ algorithme
combine ensuite le meilleur ensemble de données des différents ping
en se basant sur des algorithmes complexes pour obtenir le profil de
vitesse de la plus haute qualité pour chaque échantillon, et modifie ces
paramètres automatiquement tout au long de la mesure.
Comparaison SonTek RS5, SonTek
RiverSurveyor M9/S5 et TRDI StreamPro
StreamPro
RiverSurveyor -S5 RiverSurveyor -M9
RS5
Lors du développement du RS5, les mesures de débit ont été faites sur
des sites contrôlés utilisant couramment ces systèmes et ces conditions.
Ici, sur le site illustré à droite, les mesures de débit ont été effectuées sur
un canal revêtu de béton, à la station de gaugeage de l’USGS 09522500
à l’aide du SonTek RS5, du SonTek RiverSurveyor M9, S5, et du TRDI
StreamPro.
2
Ingénieur d’application testant le RS5, Yuma, AZ (USA).
Ce site particulier a fait l’objet d’une étude approfondie en raison du déversoir trapézoïdal à large crête construit en aval
du lieu de mesure. En raison des vestiges d’un batardeau à cet endroit, les vitesses sont constamment plus élevées du côté
droit du transect, ce que l’on peut voir par les couleurs plus rouges des courbes de niveau RS5 et M9. Il est clair que les
profils de vitesse du RS5 et du M9 fournissent le plus de détails en terme de résolution et de changement de la structure
de l’écoulement sur le transect par rapport au S5 et au StreamPro. Alors que le profil du RS5 présente une définition
comparable à celle du transect M9, la qualité des données du M9 n’est comparable à celle du RS5 que grâce à ses capacités
SmartPulseHD® à double fréquence. En raison de ses limitations en fréquence unique, l’algorithme SmartPulse du S5 a
été forcé en mode Incoherent étant donné les vitesses sur ce site, ce qui a donné un ensemble de données très grossier
comparé au RS5, qui est capable de rester en mode Pulse-Coherent. Enfin, le StreamPro exige de l’utilisateur qu’il définisse
une configuration de taille de cellule et un type de ping fixes, ce qui donne des contours de vitesse qui ne résolvent pas la
structure complexe de vitesse observée à ce site, malgré le type de site apparemment simpliste.
Comparaison des Performances du RS5
(Broadband/Pulse-Coherent) et du M9
(Incoherent)
Les sites présentant certaines caractéristiques de vitesse et de
profondeur permettent à l’algorithme SmartPulse+ du RS5 de
se démarquer même par rapport au RiverSurveyor-M9, comme
montrent les données sur la station de jaugeage de l’agence pour
l’environnement, appelée Skelton, sur la rivière Ouse près de York
au Royaume-Uni (UK). Au milieu du transect, les vitesses étaient
suffisamment élevées et le canal suffisamment profond pour
forcer l’algorithme SmartPulseHD du M9 à utiliser le type de ping
incoherent à 1MHz, ce qui a permis d’obtenir des cellules beaucoup
plus grandes et des données plus bruitées par rapport à ses pings
Pulse Coherent et Incoherent (appelés “HD”) près des bords.
RiverSurveyor-M9
RS5
Si les valeurs de débit final sont comparables, il ressort clairement
de cet exemple que l’algorithme SmartPulse+ du RS5 gère mieux
ces variations de débit, allant d’une eau très lente près des bords, à
un débit profond et plus rapide dans la partie centrale du transect.
3
Skelton sur la rivière Ouse, près de York, au Royaume-Uni.
Données et crédits photos : Lee Pimble, responsable des
applications techniques hydrométriques de SonTek, Europe.
Dans ce cas, le RS5 est capable de résoudre l’écoulement
détaillé intensifié en surface au centre du canal, alors que
cela n’est pas aussi évident dans l’ensemble de données
M9.
Profilage Haute Résolution
le RS5 est conçu pour produire une qualité de données
optimale dans des environnements de cours d’eau peu
profonds et souvent bruyants. Les environnements peu
profonds étant beaucoup plus sensibles aux conditions
d’écoulement inhabituelles en raison des obstructions
et de la variabilité du débit, le développement s’est
concentré sur la production d’un ensemble de données à
la résolution la plus élevée tout en mesurant les vitesses
avec le moins d’incertitude et de bruit possible.
Le bruit des instruments de profilage acoustique donne
StreamPro
RS5
Photo et données avec l’aimable autorisation de Tim (Shawn)
LeMaster, USGS.
4
souvent une image d’aspect “patchwork” ou “arlequin”
sans motif de débit apparent, comme on peut le voir
sur le site suivant en utilisant le StreamPro. Ce cours
d’eau peu profond, situé à la station de jaugeage USGS
03302000 à Pond Creek près de Louisville, KY (USA), met
en évidence les capacités de haute résolution à faible
profondeur du RS5.
Sur un autre site près d’Asheville, NC (USA) à la station
de jaugeage de l’USGS 034557730, illustré à droite, on
observe le même effet.
Il est évident, d’après la photo, que l’on peut s’attendre à
des écoulements complexes en raison des galets et des
gros rochers du fond. Le transect du RS5 met clairement
en évidence la structure complexe de l’écoulement
causée par la forme variable du fond, et montre quelques
zones inattendues de l’écoulement le plus élevé
décentrées par rapport au milieu du canal. La bathymétrie
plus détaillée du canal, fournie par le faisceau acoustique
vertical du RS5, est également évidente, alors que le
StreamPro ne peut fournir qu’une profondeur moyenne
calculée à partir de ses quatre faisceaux inclinés.
Profils de vitesse avec moins de bruit
aléatoire
StreamPro
RS5
Le RS5 SmartPulse+ utilise de nombreux critères différents
pour décider du meilleur profil de vitesse pour un
échantillon donné. L’un des facteurs les plus importants
5
Photo and data courtesy of John Mazurek, USGS.
utilisés dans la décision est l’écart-type de vitesse. L’écarttype est une valeur statistique représentant le niveau de bruit
d’un échantillon de vitesse donné ; plus l’écart-type est élevé,
plus le bruit est important et plus les données semblent
“inégales”.
Comme on a pris grand soin de réduire le bruit de vitesse
mesuré, les données du RS5 sur de nombreux sites auront
une résolution plus élevée, alors que d’autres instruments
peuvent produire une image du flux à plus faible résolution.
Un exemple d’un tel site est montré ici, à la station de
jaugeage USGS 07378000 sur la rivière Comite près de
Comite, LA (USA).
Photo et données avec l’aimable autorisation de James
Fountain, USGS.
StreamPro
RS5
Alors que la structure générale de l’écoulement peut être
observée dans les données StreamPro, avec plus de couleurs
rouges près du centre du canal où les vitesses les plus
élevées existent, l’ensemble de données RS5 produit un
tracé de contour lisse avec un minimum de bruit granuleux
dans tout le tracé de contour de vitesse. La réduction du bruit fournit les mesures de vitesse les plus précises pour calculer
le débit et permet de voir dans le transect diverses caractéristiques à échelle fine qui seraient autrement cachées dans la
dispersion des données, comme le petit pic de vitesse près du fond, près de la rive gauche.
6
Capacités ultra faibles
La forme compacte du RS5 et son faible encombrement le
rendent idéal pour les mesures de débit d’eau peu profonde
où l’utilisateur préfère ne pas patauger (avec un FlowTracker,
par exemple) ou nécessite un profil plutôt qu’une mesure
ponctuelle, lorsque cela est possible. L’algorithme
SmartPulse+ est optimisé pour les mesures fines près de la
surface, ce qui permet de recueillir les données les moins
profondes possibles.
Le RS5 est capable de réaliser des cellules de vitesse à
des profondeurs trop faibles pour d’autres instruments. Un
exemple est illustré ici, toujours à Asheville, NC (USA), à la
station de mesure de l’USGS 03298150.
StreamPro
RS5
Photo et données avec l’aimable autorisation de Tim (Shawn)
LeMaster, USGS.
Sur ce site, la profondeur de l’eau atteint environ 13 cm. Bien que le StreamPro ne puisse pas réaliser de cellules ou de
profils dans la plupart des régions les moins profondes de la section transversale, le RS5 est capable de renvoyer au moins
une cellule (et souvent plusieurs) sur la plus grande partie du transect. Les sites initialement trop peu profonds pour être
mesurés avec un ADCP sont maintenant accessibles avec le RS5.
7
Ingénieur d’application testant le RS5 Application sur site, Yuma,
AZ (USA).
Une combinaison des capacités peu profondes du RS5 et de
la résolution des données haute définition est montrée dans
l’exemple ici, recueillies près de Yuma, AZ (USA).
StreamPro
RS5
Ce site peu profond n’atteint pas plus de 30 cm à son point
le plus profond. Alors que le Streampro est capable d’obtenir
des cellules de vitesse à ces profondeurs, l’algorithme haute
résolution du RS5 est capable de mettre en évidence en
gradients lisses les zones de plus haut et plus bas débit qui sont
perdues dans les données bruyantes du StreamPro.
8
Suivi de détection de fond dans les
substrats difficiles
Les algorithmes du RS5 SmartPulse+ s’appliquent à tous
les calculs de vitesse, qui incluent à la fois la vitesse de
l’eau et le mouvement du bateau, appelé Bottom-Tracking.
L’algorithme Bottom-Tracking calcule avec une grande
précision le mouvement du bateau sur le sol, qui est ensuite
utilisé pour corriger les mesures de vitesse brutes afin de
séparer la vitesse de l’eau elle-même. Grâce à l’utilisation
des techniques combinées de Broadband et d’autorésolution Pulse-coherent, le RS5 est capable de réaliser un
Bottom-Tracking plus stable et de meilleure qualité que les
instruments comparables. Il fournit des données de fond
plus fiables dans des conditions acoustiques difficiles (y
compris des fonds rocheux très variables et certains types de
végétation).
StreamPro
RS5
Les mesures suivantes ont été recueillies à la station de
mesure de l’USGS 07048600 sur la rivière White près
de Fayetteville, AR (USA). La photo du site montre un
écoulement semi-turbide avec un transect contenant de
gros galets et de la végétation près des bords. Le lit principal
du cours d’eau est principalement constitué de graviers.
La combinaison d’une charge sédimentaire élevée et des
variations du substrat de fond (des galets au gravier) font de
ce site un défi pour la détection du fond et le suivi du fond.
Grâce à son faisceau vertical, le RS5 est capable de maintenir
une mesure de profondeur tout au long du transect et de
rapporter de manière fiable la vitesse du Bottom-Tracking par
rapport au StreamPro.
9
Photo et données avec l’aimable autorisation de Neil Holaway,
USGS.
Lors du développement du RS5, les sites qui ont
historiquement causé des problèmes de “Bottom-Tracking”
pour les ADCP ont été ciblés. L’exemple ci-dessous montre
un site, exploité par Canals and River Trust, avec un lit de
pierre très variable sous une eau limoneuse à débit rapide
(jusqu’à 1 m/s ou 3 pieds/s). Il est situé sur le canal de
Bywash au réservoir de Toddbrook à Whaley Bridge près de
Manchester, au Royaume-Uni.
La combinaison de ces conditions s’avère très difficile pour
le RiverSurveyor M9 de maintenir l’écluse de fond pendant
le transect, comme indiqué ci-dessous. Comme l’algorithme
de suivi du fond est aidé par un ping et un réglage Pulsecoherent auto-résolu spécifiquement pour ces sites difficiles
et peu profonds, le RS5 collecte avec succès un ensemble
complet de données sur toute la section transversale.
RiverSurveyor-M9
RS5
Photo et données avec l’aimable autorisation de Nick Martin,
Xylem UK, et du Canals & Rivers Trust
10
Les autres particularités du RS5
Contrairement au StreamPro, le RS5 est équipé en série d’un compas magnétique, qu’il s’agisse du modèle Standard
(sans GPS/GNSS) ou Max (avec GPS/GNSS). Cela permet à l’utilisateur de collecter des tests de lit mobile en boucle et des
mesures de débit stationnaires (à venir). Le compas magnétique RS5 est le même compas de haute qualité construit par
SonTek que celui utilisé dans les systèmes M9/S5 (souvent appelé compas “G3”) et fournit un retour d’erreur magnétique
en temps réel. Dans l’exemple ci-dessous, le RS5 a effectué un transect en amont du pont représenté.
L’erreur magnétique est signalée avec des avertissements (hachures rouges) lorsque le système s’approche de chaque pile
de pont, indiquant que l’erreur magnétique dépasse la limite d’étalonnage pour un débit précis.
11
Reconnexion automatique et mise en mémoire tampon des données pendant 5
minutes
Le RS5 est doté d’une robuste fonction de reconnexion automatique qui rétablira la connexion Bluetooth en cas de perte.
Des choses inattendues se produisent toujours sur le terrain, notamment la perte de la ligne directe du site, des incidents
avec l’antenne radio ou la radio USB, une perte de puissance, ou comme dans le cas suivant, le retournement complet du
bateau par accident, entraînant une perte de communication. Le RS5 et le bateau sont restés sous l’eau pendant environ
10 secondes (pendant la période indiquée dans la figure) avant d’être redressés, et la connexion par le logiciel RSQ a été
immédiatement rétablie sans aucune intervention de l’utilisateur.
En cas de perte de connexion, le RS5 stocke les données de sauvegarde en interne pendant 5 minutes maximum. Lorsque
les communications sont rétablies, les données sont retransférées vers l’ordinateur et triées en conséquence, de sorte
qu’aucune donnée n’est perdue pendant les 5 minutes de communication. Ce tampon de données offre un moyen de
préserver les échantillons en cas de perte de communication, de sorte que le transect n’a pas besoin d’être répété.
Remarques Finales
Le SonTek RS5 intègre à la fois des innovations en matière de technologie acoustique et des années de retour d’expérience
des clients sur l’acoustique et l’interfaçage des logiciels, afin de fournir des données de la plus haute qualité et une
expérience utilisateur des plus fluides. L’algorithme SmartPulse+ et les nouveaux développements acoustiques permettent
au RS5 d’atteindre et de dépasser les capacités de qualité et de résolution des données par rapport à d’autres systèmes de
mesure de la débit. Les exemples de données présentés dans cette note technique couvrent un large éventail de conditions
de site et d’applications et montrent la puissance d’un moteur acoustique complexe sous une forme physique réduite.
Xylem Analytics France
29 rue du Port
92022 Nanterre, FRANCE
© 2020 Xylem, Inc.
+33(0)9 77 40 55 21
[email protected]
SonTek.com
SonTek.com/RS5