Hydrologie

Diffusion des savoirs RISQUE HYDROMETEOROLOGIQUE, CRUES ET INONDATIONS 5. Hydrologie du bassin versant : de la pluie au débit … Evaporation, infiltration, ruissellement, bilan hydrique

Guillaume NORD G. Nord

Laboratoire des Transferts en Hydrologie et Environnement Tel: 04 76 51 48 49 [email protected]

COURS 5 :

Hydrologie du bassin versant

1

Plan du cours I II III

1) Interception 2) Evapotranspiration 3) Infiltration 4) Ruissellement

G. Nord

IV COURS 5 :


2

Définitions de l’hydrologie Le bassin versant et son complexe Processus du cycle de l’eau

Réponse des bassins versants aux précipitations: de la pluie au débit…

Plan du cours I II III

1) Interception 2) Evapotranspiration 3) Infiltration 4) Ruissellement

G. Nord

IV COURS 5 :


2

Définitions de l’hydrologie Le bassin versant et son complexe Processus du cycle de l’eau

Réponse des bassins versants aux précipitations: de la pluie au débit…

Définitions de l’hydrologie Historique de l’hydrologie

Le cycle de l’eau selon Aristote

G. Nord

COURS 5 :


3

Définitions de l’hydrologie Historique de l’hydrologie

Le concept de bassin versant introduit par Perrault (1611-1680)

G. Nord

COURS 5 :


4

Définitions de l’hydrologie Version actuelle du cycle de l’eau

G. Nord

évaporation

Définitions de l’hydrologie Composantes principales du cycle de l’eau

G. Nord

- Précipitations - Interception - (Stockage dans les dépressions) - Infiltration - Évaporation

Définitions de l’hydrologie

Répartitions des réserves d’eau à l’échelle du glo

- Océans : 1.35e18 m3 = 97.4 % - Continents : 3.3e16 m3 = 2.6 % G. Nord

- Atmosphère : 1.3e13 m3 = 0.01 %

Définitions de l’hydrologie Durée du cycle de l’eau

G. Nord

Définitions de l’hydrologie Le Bilan hydrologique A l’échelle du bassin versant

P

E

Bassin versant G. Nord

S

P=E+Q+ Q


Les précipitations par an : quelques ordres de gran

G. Nord


Les précipitations par jour : quelques ordres de gr

Crues du sud-est de la France : ~100 à 700 mm / évén

G. Nord

Cas du Gard 2002 : + de 200 mm sur quasiment to département Pic à 600 mm


G. Nord

Définitions de l’hydrologie Les précipitations : aspects spatio-temporels

Cas du Rhône 2 + de 100 mm s grande région

G. Nord

Définitions de l’hydrologie 1

10 min G. Nord

5h

1000

1


G. Nord

Le bassin versant et son comple Définition du bassin versant

Le bassin versant représente l’unité spatiale de référence pour l’hyd Il est défini comme l’étendue drainée par un cours d’eau et ses afflu limitée par une ligne de partage des eaux.

G. Nord

Le bassin versant et son comple Bassin versant anthropisé / naturel

G. Nord

Le bassin versant et son comple Bassin versant topographique / réel

G. Nord


G. Nord

Exemples de modifications de la délimitation du bassin versant s mise en place d'un réservoir et la construction d'une route


Exemple d’intervention de l’homme sur l’hydrosystème

G. Nord

Le bassin versant et son comple Caractéristiques physiographiques :

- caractéristiques morphométriques - surface - forme - élévation - pente

G. Nord

- caractéristiques liées au réseau hydrographiqu - typologie - topologie - ordre des cours d’eau - longueurs et pentes - densité de drainage - densité hydrographique

Le bassin versant et son comple La géologie

G. Nord

Le bassin versant et son comple L’usage des sols

G. Nord

Le bassin versant et son comple La pédologie

G. Nord

Interception, évapotranspiratio

G. Nord

Interception, évapotranspiratio Flux d’eau depuis un couvert végétal

Transpiration

Préc

Evaporation

Interception

Percolation

G. Nord

Flux de sève

Ruissellement sur l’écorce

Interception Définition de l’interception

L’eau interceptée (par la végétation, constructions, ro etc.) est celle qui n’atteint pas le sol. Elle peut être rapidement évaporée…

G. Nord

Facteurs influençant le volume intercepté : - durée de l’averse - type de précipitation (brouillard, bruine, pluie conve - type de végétation (feuillus par rapport à résineux) - indice foliaire (surface de feuille par m2)  certains de ces facteurs sont très difficile à mesure

Interception

Mesures de l’intercep

Throughfall et stemflow • Transpiration des arbres • Variables météorologique dessus de la canopée •

Sou

G. Nord

Interception

L’interception : quelques ordres de grandeur à l’é annuelle

Chêne méditerranéen 100 100 Proportion of Proportion of rainfall rainfall(%) (%)

100 100 Proportion of Proportion of rainfall rainfall(%) (%)

80 80

80 80

60 60

60 60 % 74

83% 14%

40 40

G. Nord 20 20

Pin sylvestr

40 40

3% 20 20

2% 00

00

Throughfall Throughfall

Stemflow

Interception

L’interception : dynamique au cours d’un évènem

G. Nord

Evapotranspiration Définition de l’évaporation

L'évaporation est un passage progressif de l'état liquid l'état gazeux.

G. Nord

Facteurs influençant l’évaporation : - au déficit de saturation de l'air, à la température, - au vent, - au rayonnement, - à l’état du sol (humidité), - aux propriétés du sol (albédo)

Evapotranspiration Définition de l’évapotranspiration

évaporation directe de l'eau du sol + transpiration pa plantes  facteurs supplémentaires liés aux végétaux

Evapotranspiration de référence (ET0) ou potentielle en eau par évaporation et transpiration d'une su gazon de hauteur uniforme, couvrant totalement le te pleine période de croissance, recouvrant complèteme et abondamment pourvue en eau. G. Nord

Evapotranspiration réelle (ETR) : somme des qua vapeur d'eau évaporées par le sol et par les plantes

Evapotranspiration Mesures d’évaporation

G. Nord


Dispositif pe G. Nord


Il existe différents types de bacs d'évaporation . Ce bassins de 1 à 5 mètres de diamètre et de 10 à 70 profondeur, posés sur ou dans le sol (bacs enterrés) ou dans l'eau (bacs flottants).

G. Nord

Les variations du niveau d'eau du bac, mesurées à des intervalles fixes, sont

Evapotranspiration

Mesures d’évapotranspiration (estimation à parti données météo par bilan d’énergie)

Rayonnement Net = Flux de conduction dans le sol + Fl chaleur latente + flux de chaleur sensible R N=G+LE+H

G. Nord

R N et G mesur H estimé H=raCpCH Va(T L : chaleur late E : déduit

Evapotranspiration

Mesures d’évapotranspiration (estimation à part lysimètre)

G. Nord

Evapotranspiration

L’évapotranspiration : quelques ordres de grande climat méditerranéen de montagne

) m m ( n o i t a t i p i c é r P

G. Nord

Source : La

Infiltration, ruissellement

G. Nord

Infiltration Sols saturés / sols non saturés

Porosité : n = Vv / V : en général entre 25 et 70 % G. Nord

Masse volumique apparente sèche : d = Ms / V : en généra 800 et 2000 kg/m3 Densité apparente sèche : d / eau : 0.8 à 2

Infiltration Sols saturés / sols non saturés : teneur en eau

Teneur en eau "pondérale" : W = Mw / Ms (en g/g) on dit aussi teneur en eau "gravimétrique" ou "massique"

se mesure par pesée avant/après séchage, donc avec t échantillons, remaniés ou non. 

Teneur en eau "volumique" :  = Vw / V (en cm3 /cm3) compr presque 0 (sol sec) et la porosité (sol saturé) G. Nord

se mesure par pesée avant/après séchage sur les échantillons non remaniés (cylindre). 

Infiltration Méthodes de mesure de

Méthode directe (référence) : - Pesée avant/après séchage sur éch. non remanié.

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Méthodes indirectes : - Comptage neutronique (ex : Campbell Pacific Nuclea - TDR = Time Domain Reflectometry (ex : Soil Moistu - Sonde capacitive (ex : Sentek Diviner / Enviroscan)

Infiltration

Source Prof. A.

G. Nord

Conductivité hydraulique à saturation K s : valeur

du taux d'infiltration si le sol est saturé et homogène.

Infiltration Infiltration par capillarité (dans toutes les directions)

Régime gr la direction

G. Nord

Infiltration

G. Nord

Infiltration

Ordres de grandeur de la capacité d’infiltration d

Ex : Bretagne, Normandie, Languedoc

Infil trabilité : 25 à 35 mm/h

G. Nord

Infiltrabilit é : 5 à 12 mm/h

Source : Patrick A

Infiltration

Développement d’une croûte de battance à la surfa

G. Nord

Infiltration Mesures de l’infiltration (exemples) : Infiltromètre de Muntz

G. Nord

Infiltration Mesures de l’infiltration (exemples) : lnfiltromètre à double cylindre

G. Nord

Ruissellement Les différents types d’écoulement

G. Nord

Ruissellement précipitation infiltration ruissellement « hortonien » nappe

G. Nord

ruissellement par saturation

Ruissellement Contribution aux débits de base de la rivière

Source : e-drologie, Pr

G. Nord

Ruissellement Ruissellement de surface

G. Nord

Ruissellement Ruissellement de surface et érosion

G. Nord

Ruissellement Surfaces saturées

G. Nord

Ruissellement Surfaces saturées

G. Nord

Ruissellement

Mesures d’infiltration et de ruissellement sur pa

G. Nord

Ruissellement

Mesures d’infiltration et de ruissellement sur pa Domaine Olivier de Serres (Ardèche)

G. Nord

De la pluie au débit… La réponse hydrologique d’un bassin versant est par une multitude de facteurs tels que ceux liés :

Facteurs externes au milieu

G. Nord

Facteurs internes au milieu

- aux conditions climatiques du milieu, - à la pluviosité (répartition spatiale et tempo intensité et durée),

- à la morphologie du bassin versant (forme, altimétrie, orientation des versants), - aux propriétés physiques du bassin (géolo des sols, couverture végétale), - à la structuration du réseau hydrographiqu (extension, dimension, propriétés hydrauliques

De la pluie au débit…

Caractéristiques physiques et leurs influences s l'écoulement l'écoulement des eaux - surface - forme

G. Nord


La réaction hydrol bassin versant est par sa vitesse ( montée) et son (débit de point

Hyétogramme/hydrogr G. Nord

temps de montée :

De la pluie au débit… Transformation de la pluie brute en hydrogramme

La fonction de permet de dét hyétogramme nette à partir d brute

La fonction de permet de dét l’hydrogramme résultant de la G. Nord

coefficient de ruissellement : entre lame d’e

De la pluie au débit… Transformation de la pluie brute en hydrogramme

G. Nord


Découpage de différentes phase d’un hydrogramm

G. Nord


Répartition de la hauteur de précipitations au cour averse d’intensité constante (d’après Réméniéras,

G. Nord


Ruissellement sur surfaces saturées extension d surfaces saturées et relation avec le débit

G. Nord

De la pluie au débit… Mesures de hauteur d’eau en rivière

Échelle limnimétrique G. Nord

COURS 5 :


67

Limnigraphe à flotteur

De la pluie au débit… Estimation du débit par dilution (au sel)

stage terrain d’hydrologie en Ardèche - OSUG/UJF

G. Nord

COURS 5 :


68

Estimation du débit à partir d’un micro-moulinet ou moulinet

Hydrologie

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