Méthodes d`étude de la variabilité spatiale du cycle

Hydrology in Mountainous Regions. I - Hydrological Measurements; the Water Cyde
(Woceedings of two Lausanne Symposia, August 1990). IAHS Publ. no. 193,1990.
Méthodes d'étude de la variabilité spatiale du cycle hydrique
dans le petit bassin du Ringelbach
B. AMBROISE
Centre d'Etudes et de Recherches Eco-Géographiques
(CEREG, URA 95 du CNRS), Université Louis Pasteur,
3 rue de l'Argonne, F 67083 Strasbourg Cedex, France
ABSTRACT This paper presents a brief synthesis of methodological
studies made since 1975 in the small (36 ha) granitic Ringelbach
research catchment on the spatial variability of the water cycle
components in temperate middle mountains. Simple but physically-based
methods and models have been tested to estimate and to map input
(precipitations) and output (évapotranspiration) fluxes, flux-controlling
parameters (soil hydric properties), hydrological processes (streamflow
generation). These results help us to assess the spatial representativeness
of any point measurement, and to improve the precision of water
balance and hydrological modelling in a mountainous area.
INTRODUCTION
En montagne, les composantes du cycle de l'eau, les paramètres qui les contrôlent, les
processus qui les génèrent, présentent en fonction de la topographie des variations qui
rendent difficiles leur mesure ou leur estimation. Cette variabilité spatiale, qui se
manifeste à différentes échelles, pose le problème de la représentativité spatiale de
toute mesure ponctuelle de ces variables et paramètres, et donc de leur interpolation
à PécheEe d'un bassin.
Afin d'améliorer la précision des bilans hydriques et hydrologiques en montagne
et de leur modélisation, des méthodes cartographiques et des modèles simples mais à
bases physiques, applicables à l'échelle de tout un bassin, peuvent être élaborés en
tirant parti à la fois des acquis théoriques pour le choix des variables et paramètres
pertinents, et des méthodes naturalistes pour établir une typologie d'unités spatiales
relativement homogènes dans leur fonctionnement (Ambroise et al., 1982).
Cet article présente une brève synthèse des recherches méthodologiques menées
en ce sens depuis 1975 dans le petit bassin du Ringelbach, qui par sa taille et sa
topographie se prête bien à des études fines de variabilité. La démarche employée
sera illustrée par des exemples d'application portant sur des variables d'entrée
(précipitations) et de sortie (évapotranspiration), sur des paramètres (propriétés
hydriques des sols) et sur des processus (génération des débits).
PRESENTATION DU BASSIN
Le bassin du Ringelbach se trouve sur le versant alsacien des Vosges centrales, dans
la commune de Soultzeren (Haut-Rhin), à 18 km à l'ouest de Colmar. Les altitudes
de ce petit bassin de 36 ha s'échelonnent entre 748 m et 1000 m, avec une pente
moyenne de 20° et une gamme d'expositions allant du SSE au WNW. Il est entaillé
dans 2 granites hercyniens recouverts sur les sommets (Hurlin, Heidenkopf) par des
327
328
B. Ambroise
lambeaux de grès triasique. L'arène granitique est recouverte de formations de pente
peu épaisses, et de sols bruns à texture très grossière. La végétation est une pelouse
pâturée sur granite, une pineraie sur grès. Dans le fond du vallon une nappe
permanente en surface ou à faible profondeur est drainée par trois ruisseaux pouvant
localement et temporairement s'assécher. Le climat est de type transitoire océanique,
avec des températures moyennes mensuelles variant de 0° à 15.6°C. Bien réparties sur
toute l'année, les précipitations sont en moyenne de 1230 mm/an (Paul, 1982), dont
environ 40% est évapotranspiré. Les débits à l'exutoire varient de moins d'1 1/s à
plus de 150 1/s, autour d'un module d'environ 7.4 1/s (Humbert, 1982).
L'équipement climato-hydrologique permanent comporte depuis 1975 2 abris
météorologiques standard petit modèle (avec thermohygrographe, évaporimètre Piche et
thermomètres à minima et maxima) et 2 pluviographes situés en des sites représentatifs
l'un du climat régional, l'autre du topoclimat du fond plus abrité et humide du
vallon; 1 limnigraphe à l'exutoire, dans un chenal calibré de 9 m de long fermé par
un déversoir triangulaire (28°) en mince paroi, permet une grande précision de mesure
dans toute la gamme des débits. Depuis 1987, une station météorologique automatique
(irradiation globale, humidité, températures, vitesse et direction du vent, précipitations)
enregistre en continu le climat régional, et le bilan hydrique du sol est suivi en 4
sites équipés de tensiomètres et de tubes neutroniques. Des réseaux complémentaires
de mesures topoclimatologiques ont été utilisés durant plusieurs années.
PRECIPITATIONS
La quantité d'eau effectivement reçue par le sol (pluie "hydrologique") varie selon la
pente et l'orientation du versant, et selon la vitesse et la direction du vent local elles-même influencées par la topographie. En montagne, cette quantité peut donc être
très différente de la quantité collectée, selon les normes météorologiques, par des
pluviomètres à ouverture horizontale (pluie "météorologique"). Cette forte variabilité
spatiale des précipitations en montagne -même à l'échelle de petits bassins- rend
difficile une estimation précise et spatialisée des lames d'eau précipitées.
Un modèle trigonométrique simple mais encore peu testé en montagne (Serra,
1952; Sharon, 1980) permet d'estimer et d'expliquer ces différences, en reliant en
tout point à la topographie locale le vecteur-pluie au niveau du sol, défini par 3
composantes: son module R, son angle d'incidence Ir (par rapport à la verticale
descendante), l'azimuth Zr d'où vient la pluie (par rapport au Nord, dans le sens
horaire). La lame d'eau (Pc), par unité de surface horizontale, recueillie dans un
pluviomètre incliné est reliée à ce vecteur par la relation de trigonométrie sphérique:
Pc
=
R [coslr + tanlt sinlr cos(Zt-Zr)]
où S est la surface de réception du pluviomètre, It sa pente et Zt son orientation.
Le vecteur-pluie local au niveau du pluviomètre peut donc être estimé en tout point
à partir de mesures faites avec un ensemble de 3 pluviomètres d'inclinaisons
différentes, chacun fournissant une telle équation à 3 inconnues (R, Ir, Zr).
Pour estimer ces variations spatiales et tester ce modèle dans le bassin du
Ringelbach, un réseau de 14 stations pluviométriques a été installé le long de
transects repésentatifs, équipées chacune de 3 pluviomètres à 40 cm du sol et
d'inclinaisons différentes -dont un à ouverture horizontale pour la mesure des
précipitations météorologiques (PH), et un à ouverture parallèle au versant pour la
mesure des précipitations hydrologiques (PPc).
Le traitement des 60 épisodes pluvieux ainsi collectés en 1987 et 1988 a permis
(Ambroise & Adjizian-Gérard, 1989; Adjizian-Gérard & Ambroise, 1990):
(a) de mettre en évidence des différences pluviométriques importantes entre les sites
selon leur position topographique (altitude, exposition), mais aussi entre les
329
Méthodes d'étude de la variabilité spatiale du cycle hydrique
précipitations météorologique et hydrologique en chaque site (Fig. 1);
(b) d'expliquer ces différences locales à partir du modèle trigonométrique, dont la
validité a été vérifiée par comparaison des vecteurs-pluie estimés et des vecteursvent mesurés à la station météorologique;
(c) de préciser par cartographie la structure topopluviométrique du bassin, fortement
liée à celle du vent, et variable selon les types de circulation atmosphérique.
Cette approche vectorielle et cartographique semble prometteuse pour estimer en
montagne la représentativité spatiale des stations pluviométriques en fonction de la
topographie locale, et en déduire des estimations plus précises des lames d'eau
précipitées sur un bassin: ainsi, la lame d'eau hydrologique effectivement reçue par le
bassin du Ringelbach est de 7% supérieure à la lame d'eau météorologique.
FIG. 1 Exemple de carte du rapport PPc/PH des lames d'eau
précipitées (par unité de surface horizontale) mesurées sur pente PPc
et horizontalement PH (In: Ambroise & Adjizian-Gérard, 1989).
EVAPOTRANSPIRATION
Bien que composante importante de tout bilan hydrologique, l'évapotranspiration à
l'échelle d'un bassin est difficile à évaluer, surtout en montagne où le relief provoque
d'importantes variations spatiales de l'énergie disponible -tant radiative (provenant du
rayonnement solaire) qu'advective (liée aux caractéristiques physiques des masses d'air
en mouvement). Les méthodes d'estimation généralement utilisées en hydrologie
fournissent des valeurs globales assez peu précises et à des pas de temps trop longs
(décade, mois) pour permettre une véritable compréhension des mécanismes en jeu.
Inversement, les méthodes et modèles physiques -qui mesurent et simulent avec
précision et à des pas de temps courts (heure) les échanges radiatifs, énergétiques et
hydriques- donnent des résultats dont la représentativité spatiale est limitée, et sont
330
B. Ambroise
trop lourds pour être mis en oeuvre à l'échelle de tout un bassin.
Une méthode simple mais à bases physiques d'estimation et de cartographie, au
pas de temps journalier, des évapotranspirations potentielle ETP (dépendant de
l'énergie disponible) et réeEe ET (dépendant aussi de l'eau disponible et de l'état de
surface) a été élaborée et testée dans le bassin du Ringelbach. ETP est estimée à
partir de la relation de Brochet & Gerbier (1972), dérivée de l'équation de Penman;
et ET, à partir d'une approximation -valable localement- de la relation de Bouchet
(1963) combinée à la relation de Priestley & Taylor (1972):
ETP = m Rg + n Ep
ET
EPo - r (ETP-EPo)
, EPo =
1.26 m Rg
où m et n sont des coefficients tabulés dépendant de la saison, de la latitude et du
type d'abri; l'irradiation globale Rg et l'évaporation Piche sous abri Ep sont bien
plus simples à mesurer que les variables intervenant dans l'équation de Penman, dont
r est un coefficient; EPo est l'évapotranspiration potentielle climatique limite.
Heidankopf
94 1
02/07/1981
ETP
5.56
5.2
4.8
4.40
4.06
•*• site de mesure
•
maximum
s
minimum
<^/Ferrrte Auberge
*--.^du Geisberg
FIG: 2 Exemple de carte d'évapotranspiration potentielle journalière ETP
par la formule de Brochet & Gerbier (In: Ambroise & Najjar, 1983).
Des cartes d'ETP et d'ET journalières peuvent ainsi être obtenues, en combinant
selon les relations précédentes:
(a) des cartes de la composante radiative, obtenues en calculant Rg en tout point à
partir de mesures pyranométriques de référence en une station horizontale et d'un
modèle numérique de terrain, en tenant compte des pentes, orientations et
masques orographiques au lever et au coucher du soleil;
(b) des cartes de la composante advective, obtenues à partir des mesures d'Ep faites
en implantant dans le bassin un réseau d'évaporimètres Piche dans de petits abris
peu coûteux spécialement conçus.
331
Méthodes d'étude de la variabilité spatiale du cycle hydrique
Cette méthode cartographique a été testée dans le petit bassin du Ringelbach à
partir des données recueillies au cours de plusieurs campagnes de mesures
topoclimatiques intensives (20 sites de mesure). Elle a donné des résultats très
satisfaisants pour l'estimation d'ETP et d'ET, par comparaison avec les bilans hydrique
local et hydrologique global. Mais elle a de plus permis de mettre en évidence et de
quantifier d'importantes différences dans la répartition spatiale de l'énergie et de
l'évapotranspiration dans ce bassin pourtant petit (Fig. 2): variables selon la saison et
le type de temps, ces différences sont bien fonction de la topographie et de l'état
hydrique des versants (Ambroise & Najjar, 1983). Cette méthode -qui doit encore être
testée sur une plus grande région- fournit ainsi une approche intéressante pour
caractériser par type de temps la structure topoclimatique de bassins montagneux.
PROPRIETES HYDRIQUES DES SOLS
Les transferts d'eau à l'interface sol-plante-atmosphère sont largement conditionnés par
les propriétés hydriques (rétention hydrique, conductivité hydraulique) des sols. Ces
propriétés dépendent de la structure et de la texture des milieux poreux, dont
l'organisation spatiale dépend de leur mode de mise en place -fortement conditionné
en montagne par le relief. Elles sont donc très variables, tant verticalement (selon les
horizons dans un profil de sol), que latéralement (suivant les types de sol, mais aussi
à l'intérieur d'une même unité de sol). Pour pouvoir estimer la représentativité spatiale
de toute mesure locale de ces propriétés et limiter leur échantillonnage toujours
coûteux, il est important d'élaborer des méthodes simples de stratification de l'espace,
de déterminer par type de milieu poreux la distribution statistique de ces propriétés
et de dégager des corrélations avec d'autres propriétés plus faciles à mesurer.
La démarche adoptée dans le petit bassin granito-gréseux du Ringelbach a
consisté à tester, par un échantillonnage stratifié, l'hypothèse que des levers morphopédologiques permettaient de définir des unités hydrodynamiques relativement homogènes
et significativement différentes. A partir de plusieurs critères naturalistes simples, le
bassin a donc été découpé en 4 unités morpho-pédologiques: 2 sur granites, 1 sur
grès, 1 sur les colluvions hydromorphes du fond de vallon. Plus de 400 échantillons
de sol non remanié ont été prélevés dans ces unités, et traités au laboratoire (courbe
de rétention hydrique, conductivité hydraulique à saturation, densité, granulométrie).
Le traitement statistique de ces données a permis (Ambroise & Viville, 1986;
Viville et al., 1986):
(a) de caractériser du point de vue hydrique ces formations superficielles, dont le
matériel est très grossier: faible rétention hydrique, conductivité hydraulique forte
à saturation mais décroissant très rapidement quand le sol se draine -d'où un
fonctionnement hydrique en "tout ou rien";
(b) de vérifier la pertinence, du point de vue hydrodynamique aussi, de ce découpage
de l'espace en unités morpho-pédologiques: des classifications hiérarchiques et des
analyses discriminantes pas à pas ont souligné le rôle prépondérant de la teneur
en matière organique dans cette typologie;
(c) d'estimer les distributions statistiques de ces propriétés dans une même unité et
un même horizon, et leurs variabilités inter-unité et intra-unité (verticale, latérale)
(Fig. 3): distributions normales pour les rétentions hydriques et les fractions
texturales, lognormales pour les conductivités hydrauliques; variabilité faible à
moyenne des fractions texturales et des rétentions, forte des éléments grossiers et
des conductivités; variabilité locale importante, surtout en surface.
Toutes ces données ont également permis de tester plusieurs méthodes indirectes
d'estimation de ces propriétés hydriques difficiles à mesurer:
(a) obtention, à l'aide d'un modèle simple de mélange, de corrélations très
significatives entre la rétention hydrique et diverses fractions granulométriques: rôle
prépondérant joué dans ce milieu par les fractions organiques fine et grossière et
332
B. Ambroise
les éléments minéraux grossiers (Ambroise et al., 1990);
(b) vérification -par comparaison avec des courbes expérimentales obtenues au
laboratoire sur des monolithes de sol non remanié- de la validité pour ce type
de milieu des modèles proposés par Van Genuchten (1980) pour ajuster les
courbes expérimentales de rétention hydrique et en déduire une bonne estimation
des courbes de conductivité hydraulique (Reutenauer & Ambroise, 1990).
Cette démarche, testée également avec de bons résultats à l'échelle de plus
grands bassins, fournit ainsi des informations de base sur un type de formations
superficielles largement répandu dans la région et des méthodes d'estimation et de
cartographie utilisables à l'échelle régionale pour caractériser au moindre coût le
comportement hydrique des sols et leur variations spatiales, et paramétriser des
modèles hydrologiques spatialisés à bases physiques (Perrin et al., 1990).
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
e(cm3/cm3)
0.8
H
n
ms
CV
r*j CV
0.2
0.3
69
e2
69
.326
.048
.15
es
69
.686
.067
.10
0.4
acC
0.5
0.6
0.7
ijj *» 0 cm
z(m)
saturation
n
m
s
CV
64
.202
.016
.08
64
.510
.025
.05
e2
es
FIG. 3 Exemple de variabilités verticale et latérale des rétentions
hydriques à saturation (6») et à pF2 (0 2 ) dans une même unité de
sol: moyenne, dispersion et intervalle de confiance de la moyenne par
niveau z (In: Ambroise & Viville, 1986).
ROLE HYDROLOGIQUE DES SURFACES SATUREES
La nature très filtrante de ses formations superficielles sur granite et grès, ainsi
que la continuité de sa couverture végétale permanente font que dans le bassin du
Ringelbach -comme d'ailleurs dans tout le massif vosgien- le ruissellement est
généralement absent sur les versants: l'eau peut s'y infiltrer et s'écouler de façon
hypodermique ou profonde. Il est généralement limité aux surfaces imperméables ou
aux surfaces déjà saturées, situées dans les fonds de vallon à proximité du réseau de
drainage. Ces surfaces saturées, dont l'extension peut varier largement au cours de
l'année, jouent donc un rôle essentiel dans la formation des débits, notamment lors
des crues: dans ce type de milieu, le concept de "zone contributive variable" pour
chaque forme d'écoulement (Cappus, 1960) s'applique très bien.
Des cartographies répétées de l'extension des surfaces saturées en eau de ce
333
Méthodes d'étude de la variabilité spatiale du cycle hydrique
bassin ont permis de mettre en évidence (Ambroise, 1986, 1988):
(a) une bonne corrélation entre leur extension et le débit de base à Pexutoire: cette
extension est donc un bon indicateur de l'état hydrologique du bassin;
(b) une bonne concordance entre les coefficients de ruissellement (au sens strict) et
l'extension relative de ces surfaces saturées dans le bassin (le plus souvent
comprise entre 1% et 8%): le volume ruisselé correspond bien au volume des
précipitations sur ces seules surfaces saturées;
(c) une bonne concordance entre le volume des oscillations journalières des débits
observées par beau temps chaud et le volume de l'évapotranspiration (au taux
potentiel) sur ces seules surfaces saturées;
(d) le rôle tout à fait symétrique joué dans la génération des débits par les
précipitations et l'évapotranspiration sur ces surfaces saturées: la courbe de
tarissement non influencé apparaît comme la courbe d'équilibre dynamique vers
laquelle tend à revenir le débit après toute perturbation par evaporation ou par
précipitation sur ces surfaces.
Ainsi, bien que recouvrant une faible superficie, les surfaces saturées jouent, dans
le bassin du Ringelbach comme dans de nombreux autres bassins, un rôle climatohydrologique très important, à l'interface eaux souterraines/eaux superficielles. Ces
résultats confirment bien l'intérêt d'une approche spatialisée et non plus globale du
fonctionnement de tels bassins: pendant une large part de l'année, les variations de
débits à l'exutoire sont contrôlés par les processus actifs sur cette petite portion du
bassin, les versants ne contribuant directement que lors des épisodes pluvieux
importants. Extension des surfaces saturées et courbes de tarissement semblent pouvoir
fournir des indicateurs synthétiques très utiles pour caractériser globalement le
fonctionnement des bassins élémentaires dans ce type de milieu. D'où l'intérêt de
développer des méthodes de cartographie rapide (par télédétection) de ces surfaces
saturées, et des modèles hydrologiques permettant de simuler leur dynamique.
CONCLUSIONS
Ainsi, même à l'échelle d'un petit bassin de 36 ha comme celui du Ringelbach, les
échanges hydriques (précipitations, évapotranspiration) entre le sol et l'atmosphère, les
propriétés hydriques des sols et les processus de génération des débits présentent en
montagne des variations spatiales importantes, bien reliées à la topographie et fonction
également -pour les variables climatiques- des types de temps. Les modèles simplifiés
et méthodes cartographiques à bases physiques proposés -dont la validité à l'échelle de
plus grands bassins est en cours de test- devraient être utiles pour mieux évaluer la
représentativité spatiale de toute mesure locale de ces variables et paramètres, et ainsi
améliorer la précision des bilans hydrologiques et de leur modélisation physique et
spatialisée en région montagneuse.
REMERCIEMENTS J'exprime toute ma reconnaissance à Richard Braun, technicien du
CEREG, qui assure depuis 1978 le suivi du réseau de mesure. Ces recherches ont
été financées par le Programme PIREN-Eau/Alsace (CNRS, Ministère de
l'Environnement, Région Alsace) et l'ATP CNRS-INRA-ORSTOM-CIRAD 1986-89.
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