Mesurer le débit avec un modèle de rivière

Résumé

Cette leçon guide les élèves tout au long du processus de construction de leur propre modèle de rivière pour explorer le débit et la dynamique de l'eau. Ils mesureront et calculeront également le débit d’un ruisseau ou d’une rivière à l’aide d’outils et de méthodes simples.

Toutes nos leçons sont conçues en deux parties : une composante en classe et une composante sur le terrain. Vous pouvez choisir de suivre les leçons successivement sur plusieurs jours, à un moment qui vous convient, ou d'enseigner l'une ou l'autre partie de manière indépendante. Les activités sont présentées sous forme d’activités en petits groupes pour faciliter la collaboration et la participation active. Au bas de la page, vous trouverez une section sur les connexions entre l'océan et le monde réel ainsi qu'un glossaire de termes.

Années d'étude recommandées

Ces activités sont recommandées pour de la 7e à la 9e année.

Résultats d'apprentissage

• Construisez un modèle de rivière en utilisant des matériaux du quotidien.
• Expérimentez avec la gravité et les objets pour modifier le débit d'eau.
• Mesurez et calculez le débit d’un plan d’eau local.
• Discutez de la manière dont le débit d’eau peut être influencé par les structures naturelles et artificielles.

Contexte

Qu'est-ce que le débit d'un cours d'eau ?

Le débit indique la quantité d'eau de surface qui coule mesurée en un point particulier. Les tarifs dépendent de la largeur/profondeur du plan d'eau et sont souvent influencés par les structures artificielles (p. ex. ponts, ponceaux, barrages) ou les caractéristiques naturelles (végétation, souches d'arbres, cascades). Le débit des rivières, des ruisseaux et des ruisseaux est entraîné par la gravité et décrit le mouvement de l'eau des altitudes les plus élevées vers les plus basses.

Pourquoi le débit des cours d'eau est-il important ?

Une étendue d’eau qui coule rapidement aura des caractéristiques différentes d’une étendue d’eau calme, comme un étang. L’eau qui coule rapidement peut transférer des nutriments et des polluants en aval vers de nouveaux endroits. Comprendre le débit des cours d'eau nous donne des informations précieuses sur les sources d'eau douce, les cycles hydrologiques, la santé des écosystèmes et les décisions de gestion liées à l'allocation des ressources en eau et aux efforts de conservation.

Que signifient les mesures ?

Les mesures du débit des cours d'eau offrent des informations importantes sur la disponibilité de l'eau et la dynamique du débit. Un manque de débit d’eau peut signifier que la zone dépend des précipitations saisonnières ou qu’il y a eu une intervention humaine comme un barrage. Les débits tout au long de l'année suggèrent que des sources souterraines ou des apports de surface pourraient contribuer au cours d'eau, tandis que les variations saisonnières peuvent être dues à des facteurs naturels ou à des contrôles d'origine humaine.

Construire un modèle de rivière

Lieu: Dans la classe

Durée: 60 minutes

Objectif: Les élèves construiront leur propre modèle de rivière et exploreront le débit à l’aide de différents matériaux.

Groupes: Nous recommandons des groupes de 5 étudiants maximum pour cette activité.

Matériaux nécessaires

• Boîtes à chaussures ou autre longue boîte en carton
• Sabler
• Petites roches comme du gravier et des cailloux
• Bâtons, brindilles, feuilles
• Rouleaux de papier toilette et d'essuie-tout
• Feuille d'aluminium
• bande
• Pelles/cuillères
• Pichet ou bouteille d'eau
• Petite perle ou bille qui flotte
• Livres
• Serviettes et nappes
• Chronomètre
• Petit bol pour récupérer l'eau
• Ciseaux
• Colorant alimentaire bleu

Préparation

• Répartissez les élèves en groupes avant le jour de l’activité.
• Encouragez les élèves à réfléchir et à apporter du matériel de la maison pour les utiliser comme obstacles et éléments du paysage. Ils peuvent faire preuve de créativité avec les objets qu'ils apportent comme du riz, des céréales, des Lego® ou des blocs !
• Cette activité pourrait devenir compliquée ! Aménagez les postes de travail en plaçant des nappes pour capter les infiltrations d'eau et en ayant des serviettes à proximité en cas de déversement.
• Ayez à disposition un couteau à lame instantanée pour découper les trous de drainage dans la boîte si nécessaire. Les étudiants doivent utiliser cet outil sous la surveillance d'un adulte.
• Ayez du papier d'aluminium à disposition pour recouvrir le canal et ajoutez deux gouttes de colorant bleu dans la bouteille d'eau de chaque élève.
• Vous pouvez avoir un grand sac de sable/terre et des pelles pour que les élèves puissent ajouter du sable dans leurs boîtes. Ou vous pouvez vous rendre dans chaque groupe et mettre du sable dans leurs boîtes.

Chaque groupe doit avoir :

• Une bouteille d'eau avec de l'eau teinte en bleu.
• Petits rochers et brindilles pour leur barrage.
• Au moins deux boîtes à chaussures ou une longue boîte.
• Plusieurs rouleaux de papier toilette.
• Ciseaux
• bande

Étapes

Aménager le lit de la rivière

1. Les élèves doivent ouvrir et coller ensemble leurs boîtes à chaussures pour créer un lit de rivière plus long.
2. Remplissez le récipient de sable pour créer le lit de la rivière.
3. Ajoutez du gravier ou de petites roches au lit de la rivière pour créer un terrain accidenté.
4. Au bout du lit de la rivière, découpez un trou dans la boîte à chaussures par lequel l'eau s'écoulera. Ayez un bol à proximité pour récupérer l’eau. 

Créer le canal d'eau

1. Coupez les rouleaux de papier toilette et d'essuie-tout verticalement en deux pour former le canal d'eau.
2. Utilisez les rouleaux pour créer un chemin du début à la fin du lit de la rivière. Soyez créatif avec la façon dont vous voulez que votre eau coule !
3. Tapissez le canal avec du papier d'aluminium et collez le tout ensemble pour améliorer le débit d'eau et éviter les fuites.
4. Placez de petits rochers dans le canal pour représenter les obstacles.

Les structures artificielles comme les fossés, les canaux et les ponceaux modifient les schémas d’écoulement de l’eau de la même manière que les rouleaux de papier toilette. Ils redirigent l’eau qui tombe directement sur le sol et captent les eaux pluviales.

Observer le débit d'eau

1. Versez doucement de l’eau dans le canal et observez comment elle s’écoule autour des obstacles.
2. Placez une perle au début du canal et enregistrez le temps qu'il faut pour atteindre la fin.
3. Enregistrez les observations, y compris les cas où la perle reste stationnaire.

Expérimentez avec l'inclinaison

1. Ajustez l'inclinaison du canal en plaçant un livre sous le point de départ.
2. Répétez le test aux billes et enregistrez tout changement dans la dynamique du flux dû au réglage de l’inclinaison.

Dans les systèmes fluviaux naturels, la pente du terrain dirige l'écoulement de l'eau, imitant la façon dont le changement d'inclinaison dans notre modèle affecte le mouvement de l'eau. Cela renvoie au concept de bassins versants où l’eau s’écoule naturellement vers le bas.

Construire un barrage

1. Construisez un barrage en utilisant des bâtons, des brindilles et des feuilles dans le canal.
2. Versez plus d'eau dans le canal et observez l'efficacité du barrage dans le contrôle du débit.

Les barrages peuvent être construits par la nature ou par les humains. Les castors utilisent de la boue et des bâtons pour renforcer leurs barrages et créer des étangs de castors où ils sont à l'abri des prédateurs. Les barrages artificiels sont importants pour retenir les réservoirs afin de fournir de l'eau à des fins domestiques et industrielles, mais ils peuvent altérer l'habitat des rivières naturelles.

Questions de discussion

1. Quel est l’impact des obstacles dans le canal sur l’écoulement de l’eau ? Quels sont les obstacles à l’écoulement de l’eau présents dans les rivières réelles ?
2. Comment le changement de l’inclinaison du canal a-t-il affecté la vitesse et la direction de l’écoulement de l’eau ? Qu’est-ce que cela nous apprend sur les cours d’eau naturels ?
3. Votre chaîne a-t-elle eu des fuites ? Comment les fuites de canaux artificiels affecteraient-elles les écosystèmes naturels ?
4. Quel est l’impact du volume d’eau que vous avez versé sur le débit ? Qu’est-ce que cela pourrait nous apprendre sur la présence d’eau dans des milieux naturels, comme les conditions météorologiques et les cascades ?
5. Que pouvons-nous apprendre des différences entre les canaux et les barrières d’eau artificiels et naturels en termes d’impact environnemental et de durabilité ?

Calculer le débit d'un plan d'eau local

Lieu: Sur le terrain, sur un site où l'eau coule, comme un ruisseau, un ruisseau ou une rivière.

Durée: 30 minutes

Objectif: Mesurez et calculez le débit d’un plan d’eau local.

Groupes: Nous recommandons des groupes de 4 à 5 personnes pour cette activité.

Cette activité implique des tests dans un ruisseau, un ruisseau ou une rivière. Référez-vous toujours au conseils de sécurité dans votre guide de l'éducateur, ainsi que dans notre guide pour choisir un un emplacement de test et générale conseils pour choisir un emplacement d'échantillonnage lors des tests en extérieur. Si vous n'avez pas accès à l'eau courante, vous pouvez utilisez votre kit pour tester le reste des paramètres de l’eau avec votre classe dans votre plan d’eau local.

Étapes

Observations

1. Partagez des informations sur le plan d’eau où vous vous trouvez. Demandez aux élèves s’ils connaissent des faits ou ce qu’ils aimeraient découvrir pendant leurs analyses.
2. Encouragez les jeunes à observer leur environnement.
   • Que voient-ils/remarquent-ils?
   • Quels sons entendent-ils?
   • Que sentent-ils?
3. Notez toutes les sources qui pourraient influencer le débit du plan d’eau, comme les éléments naturels ou les structures artificielles.
4. Encouragez les élèves à poser des questions et à faire des premières observations sur l’environnement.

Mesurer le débit d'eau

1. Identifiez un endroit sûr pour que les élèves puissent accéder à l’eau.
2. Mesurez 10 m de cours d'eau à l'aide du dévidoir ou du mètre ruban.
3. Les élèves peuvent être regroupés en paires, où une personne se voit attribuer l'objet flottant en amont, tandis qu'une autre personne se tient en aval avec un chronomètre.
4. Démarrez simultanément le chronomètre et relâchez l'objet pour qu'il coule vers l'aval.
5. Enregistrez le temps nécessaire à l'objet pour se déplacer jusqu'au point situé à 10 m en aval.
6. Répétez le processus au moins 3 fois pour calculer la vitesse moyenne.

Calculer le débit d'eau

La formule avec laquelle travailler est la suivante :

Débit de surface (v) = Longueur (m) ÷ Temps (s)

Questions de discussion

1. Où penses-tu que cette eau coule de, et où coule-t-il à?
2. Que peut-il se passer lorsque l’eau coule d’un endroit à un autre ?
   • Pollution
   • Les plantes/animaux bougent
   • Le courant remue les solides
3. Tâche d'étirement : découvrez combien de centimètres par seconde (cm/s) votre objet parcourt.

Glossaire

Pont: Une structure qui vous aide à traverser des éléments comme l'eau, les vallées ou les routes.

Développement: Un long sillon fait par l'eau qui coule là où coule une rivière.

Zone transversale : La largeur de la rivière multipliée par la profondeur moyenne.

Ponceau: Une structure qui permet à l'eau de s'écouler sous les routes, les voies ferrées ou les sentiers.

Barrage: Une barrière dans une rivière pour contrôler le débit de l'eau ou créer un lac.

Décharge: La quantité d'eau qui circule dans un ruisseau ou une rivière.

Réservoir: Un grand lac naturel ou artificiel où l'eau est stockée.

Rivière: Grand cours d'eau naturel s'écoulant dans un canal jusqu'à la mer, un lac ou une autre rivière.

Discussions: Une petite rivière étroite ou un écoulement continu d'eau dans un canal naturel.

Vitesse: Comment nous décrivons la vitesse à laquelle l'eau s'écoule, généralement en mètres par seconde. 

Volume: L'espace occupé par quelque chose ou la quantité qu'un conteneur peut contenir, mesuré en unités cubes.

Dynamique de l'eau: L'étude de la façon dont l'eau se déplace et est distribuée sur Terre, y compris dans l'air, sur terre et dans les océans.