Cours d`Hydrologie Générale 1

Hydrologie Générale
Cycle de l’eau – Bassin versant
Pierre Ribstein &Ludovic Oudin
[email protected] [email protected]
1
Plan du cours
1. Introduction sur l’hydrologie
2. Échelles spatiales de travail et bilans
hydriques correspondants
3. Bassin versant : caractérisation géographique
2
Quelques références
 Des références

Roche P.A., Miquel J., Gaume E. (2012). Hydrologie quantitative, processus, modèles et aide à la décision. Collection
Ingénierie et développement durable. Springer, 590 p.

Hingray B., Picouet A., Musy A. (2009) Hydrologie - 2. Une science pour l’ingénieur. Collection Gérer
l’environnement, Presses Polytechniques et Universitaires Romandes, Lausanne.

Musy A., Higy C. (2004). Hydrologie – 1. Une science de la nature. Collection Gérer l’environnement, Presses
Polytechniques et Universitaires Romandes, Lausanne.

Anctil F., Rousselle J., Lauzon N. (2005). Hydrologie. Cheminements de l’Eau. Presses Internationales
Polytechniques.

Dingman S.L. (2002). Physical Hydrology. Prentice Hall éditeur, New Jersey, 646 p.

Chow V.T., Maidment D.R. & Mays L.W. (1988). Applied Hydrology. Mc Graw Hill éditeur, 572 p.

Jones J.A. (1997). Global hydrology. Processes, resources and environmental management. Longman Publishers, 399 p.

Brutsaert W. (2005) Hydrology, an introduction. Cambridge University Press, 605p.

Llamas J. (1993). Hydrologie générale : principes et applications. 2e édition. Gaëtan morin éditeur, Québec.

Réméniéras G. (1976). L’hydrologie de l’ingénieur. 2e édition. Collection de la Direction des Etudes et Recherches
d’Electricité de France, éditions Eyrolles, Paris.

Cours e-drologie : http://hydram.epfl.ch/e-drologie/

Site hydro : http://www.sisyphe.upmc.fr/~m2hh/
1. Introduction sur l’hydrologie
1. Bref historique
2. Enjeux scientifiques et opérationnels
4
Les énigmes de l’antiquité
• Pourquoi la mer ne se remplit pas ?
• D’où vient l’eau de sources et des rivières ?
• D’où provient l’eau de la pluie ?
Aristote
384 - 322 av JC
Platon
(427 - 348 av. JC)
5
L’hydrologie expérimentale
Surface du bassin
(km²)
Pluie annuelle (mm)
Débit (mm)
Déficit d’écoulement
(mm)
La Seine à Aignay-le-Duc
Estimations de
Estimations actuelles
Perrault (1674)
118.8
93
La Seine à Paris
Estimations de
Estimations actuelles
Mariotte (1686)
53 500
44 320
518
900
459
750
80
438
340
560
67
392
194
555
6
L’hydrologie scientifique (1700 - …)
- Mécanique des fluides : Théorème de Bernoulli (1739)
- Eaux souterraines : équation d’écoulement capillaire
d’Hagen-Poiseuille (1839-1840), loi de Darcy (1856) et
formules de Dupuit-Theis (1863-1906).
- Evaporation : J. Dalton (1802) relation entre
l’évaporation, la pression de vapeur d’eau, et la vitesse
du vent.
7
L’Hydrologie d’aujourd’hui :
Connaissance des processus et agencement spatial de ces processus
8
 La science qui étudie les propriétés, la
distribution et la circulation de l’eau
à la surface de la terre, dans les sols,
dans les souterrains et dans
l’atmosphère.
 Hydrologie « fondamentale » : Etudes
des processus hydrologiques
 Hydrologie « appliquée » : Approches
heuristiques, échelle régionale
 Hydrologie « globale » : Etudes des
interactions climat et océan
« Fondamentalisme »
Définition classique de l’hydrologie
Echelle spatiale
9
Le cycle hydrologique global
Échelle de temps et d’espace des processus hydrologiques
Enjeux de l’hydrologie de surface quantitative
Prévision des crues
Prévision des étiages
Gestion d’ouvrages
Dimensionnement
d’ouvrages
Impact de l’anthropisation
11
L’hydrologie : prévision et prédétermination
Protection et prévention
Prédétermination
Recherche d’une distribution
statistique d’une grandeur X pour
l’évaluation d’un risque ou d’une
probabilité
Prévision
Simulation des débits
X
0
Tirage annuel
1
Fréquence
•65% chances d’avoir une crue décennale
dans les dix prochaines années.
Approche Pluie-Débit
Evolution d’une grandeur X
dans le temps
X
Maintenant
12
L’hydrologie : Crue et inondation
• Crue:
Augmentation plus ou moins brutale du débit et par conséquent de la
hauteur d'un cours d'eau suite à une pluie, à la fonte des neiges, à une
montée de nappe, à une vidange de réservoir, etc.
• Inondation:
Submersion temporaire, naturelle ou artificielle, d'un espace
terrestre; l'inondation est à la fois :
• un phénomène naturel ou induit involontairement par des
transformations artificielles du milieu, ou encore une action
humaine volontaire ou accidentelle : le fait ou l'action d'inonder;
• un état temporaire, résultat de ce phénomène ou de cette action.
Carte des aléas
13
exemple d’aménagement dans le bassin de la Seine
• Crue historique de 1910 (centennale) : Volume =
3500 Mm3
• Quatre ouvrages régulateurs (Yonne, Seine, Marne
et Aube)
• Gestion multi-objectif (écrêtement des crues /
soutien d’étiages)
Année
de mise
en
service
Bassin
versant
intercepté
(km²)
Volume
6
3
(10 m )
Yonne
1950
220
80
Seine
Marne
Aube
1966
1974
1990
2400
2950
1700
205
350
170
7250
805
Total
des barrages d’écrêtement des crues…
exemple d’aménagement dans le bassin de la Seine
• But : Décaler, avec la Bassée, les crues de la Seine pour laisser passer
les flots de l’Yonne
Au plus près de la
confluence,
retenir les eaux de la Seine
au
moment du passage du
maximum de la crue de
l’Yonne
 55 M m3 stockables
Enjeux liés aux inondations
Source : National Weather Service
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2. Échelles spatiales de travail et bilans
hydriques correspondants
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Les échelles spatiales de l’hydrologie : L’échelle globale
Stock ≠ Flux
Temps de résidence = stock / flux
cycle de l’eau = transport, stockage, changement de phase18
Les échelles spatiales de l’hydrologie : L’échelle régionale
ETP de bassin
ETR
Pluie de bassin
Débit à l’exutoire
(mesuré à une section de contrôle)
Pluie = Evapotranspiration + Débit
+/- Variations de stock +/- échanges souterrains
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Les échelles spatiales de l’hydrologie : L’échelle de la parcelle
ETP
ETR
Pluie
Pluie = Evapotranspiration
+ Infiltration (recharge)
+ Variations de stock ZNS
(+ Ruissellement)
(Ruissellement)
Infiltration
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Ressource en eau : les flux en France
en milliards de m3 (km3) par an
Flux moyens interannuels des ressources en eau - France métropolitaine
19 km3 prélevés pour l’énergie et 15 km3 prélevés pour
l’irrigation, l’eau potable, l’industrie. Sur ces 15 km3, 44%
proviennent des nappes souterraines (6 km3)
Ordres de grandeurs des termes du bilan hydrique (en lames d’eau annuelles)
Précipitations
Évaporation
Écoulement
Continents
mm
mm
mm
Europe
790
507
283
Afrique
740
587
153
Asie
Amérique du
Nord
740
416
324
756
418
339
Amérique du Sud
Australie et
Océanie
1600
910
685
791
511
280
Antarctique
Moyenne pour
tous les
continents
165
0
165
800
485
315
D’après Musy, EPFL
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L’échelle de travail classique : le bassin versant
 Définition
 Le bassin versant est le domaine drainé par une section en travers
d’un cours d’eau. Un bassin versant dépend d’abord du choix de son
exutoire
 Si le sol était imperméable, le bassin versant ne dépendrait, l’eau
coulant de manière gravitaire, que de la topographie.
 Justification:
 Le bassin versant est un système hydrologique assez bien délimité:
• Une seule entrée: la pluie
• Une sortie mesurée à l’exutoire: le débit
• Ce qui s’y passe ne dépend pas en principe de l’aval.
 Unité géographique de la gestion de la ressource en eau…mais
limites administratives souvent différentes des limites naturelles;
exemples : bassins transfrontaliers
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Le bassin versant : définition
Equations de conservation = Équations différentielles pour
la conservation de la masse, de l’énergie, de la quantité de
mouvement, lois de thermodynamique
Connaissance des processus hydrologiques aux limites
Système hydrologique
dS
i (t )  q (t ) 
dt
Délimitation d’un bassin versant
Méthode manuelle
Courbes de niveau
Ligne de crête
Réseau hydrographique pérenne
Exutoire du bassin
Contour du bassin
25
Délimitation d’un bassin versant
Méthode automatique
Délimitation à partir d'un Modèle
Numérique de Terrain (MNT) sous un
SIG (Sytème d'Information
Géographique)
26
Le bassin versant
• Quelques grands bassins:
• Amazone: 7 millions de km²; Congo: 3,7 millions de km²
Mississipi: 3,3 millions de km²; Danube: 817 000 km²
Rhin: 224 000 km²
• En France: Loire: 115 000 km²; Rhône: 99 000 km²
Seine: 78 600 km²; Garonne: 52 000 km²
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Bassin versant avec karst
Région de calcaires et dolomites ayant une topographie souterraine particulière due à la
dissolution de certaines parties du sous-sol et au cheminement des eaux dans les galeries
naturelles ainsi formées.
Rivière
station
BV
géographique
BV
hydrologique
Bourne
Choranche
246 km2
446 km2
Vernaison
Royans
281 km2
81 km2
Bassin topographique et bassin souterrain
 Si le sol était imperméable, le bassin versant ne dépendrait que de la
topographie, et le bilan précédent serait exact
 Dans la réalité, il peut y avoir ambiguïté sur la surface qui contribue
effectivement au débit à l'exutoire :
29
Bassin topographique et bassin souterrain
 Exemple : capture du bassin topographique
d'Etretat par le bassin souterrain d'Yport
30
Formes d’entrée
Relief ruiniforme
Exokarst
Résurgence
perte
Reculée
lapiaz
doline
aven
poljé
Réseaux
souterrains
noyés
source de trop
plein
grotte
Niveau de base
Endokarst
source karstique =
exurgence
Formes de sortie
Bassin versant endoréique
" Se dit d’un bassin qui possède un
réseau hydrographique, ou tout du
moins un embryon de réseau, mais sans
ouverture sur la mer ou sur un lac de
grande superficie. Quelques exemples :
doline ayant un bassin d’alimentation
pourvu d’un réseau organisé, piedmonts
de massifs sahariens dont le réseau
débouche dans des mares sans exutoire
ou s’évanouit dans les sables, etc… "
Lac Titicaca
Exemple de bassin endoréique du Lac Tchad
3. Bassin versant : caractérisation
géographique et réponse hydrologique
34
Caractérisation physiographique. Attributs (de façade) des bassins versants
 Topographie/hydrographie




Surface
Pente moyenne
Densité de drainage
Compacité
 Occupation du sol
 Taux de couverture végétale
 Indice Foliaire
 Sol et sous-sol
 Formations géologiques
 Texture de surface
 Climat
 Précipitations
 ETP/Température
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Caractérisation géographique du bassin versant
 La surface du bassin versant (la plus importante pour expliquer les
débits) s'obtient par planimétrage sur une carte topographique (en km²);
 La forme plus ou moins allongée du bassin ;
 Le relief ;
 Le réseau hydrographique : longueur, pente, densité
 Mais aussi La couverture du sol (couverture végétale, surfaces
urbanisées, surfaces d’eau libre, présence de neiges ou de glaciers), la
nature du sol ; la géologie du substratum (perméabilité, écoulement de
l’eau souterraine, …).
36
Caractérisation géographique du bassin versant : coefficients de forme
 Coefficient de Gravélius (compacité) : rapport entre périmètre du bassin et
circonférence du cercle de même surface
1 P
P
P 1
P


 0.28
KG 
2 R 2 S 2  S
S

KG = 2.5
KG = 1.8
KG = 1.3
KG = 1 cercle
KG = 1.128 carré
KG > 3
Bassin très allongé
KG = 1.1
37
Caractérisation géographique du bassin versant : Forme
 Rectangle équivalent : rectangle ayant la même surface et la
même périmètre que le bassin
L
l
38
Caractérisation géographique du bassin versant : Relief et pente
 Courbe hypsométrique : Histogramme des altitudes
39
Caractérisation géographique du bassin versant : Relief et pente
 Indice global de pente
95
L
Z 95 Z 5
IG 
L
5
Z5
Z95
40
Caractérisation géographique du bassin versant : Réseau
hydrographique
 Densité de drainage : Rapport de la somme des longueurs des
cours d’eau pérennes sur la surface du bassin
Lh1
DD
L


H
A
Lh2
Lh3
Lh4
41
Caractérisation géographique du bassin versant : Réseau
hydrographique
 Ordre des cours d’eau (Classification de Strahler, 1957)
(2)
(1)
(2)
(2)
(1)
(1)
(1)
42
Le bassin versant : outils d’analyse spatiale
 Modèles Numériques de Terrain (MNT):
fichier des altitudes connues aux nœuds
d’une grille régulière.
 On peut en déduire d’autres fichiers :
fichiers pentes, orientations, directions de
drainage …
Bendjoudi, H. and P. Hubert, Le coefficient de compacite de Gravelius : analyse critique
d'un indice de forme des bassins versants, Hydrological Sciences Journal – Journal des
Sciences Hydrologiques, 47 (6), 921-930, 2002
Le bassin de la Seine
KG : 1,10 to 1,41
Le bassin versant et les temps caractéristiques
Le temps de concentration (tc) des eaux sur un bassin versant est le
maximum de durée nécessaire à une goutte d'eau pour parcourir le chemin
hydrologique entre un point du bassin et l'exutoire de ce dernier.
Il est composé de trois termes différents :
•th : Temps d'humectation. Temps nécessaire à l'imbibition du sol par l'eau
qui tombe avant qu'elle ne ruisselle.
•tr : Temps de ruissellement ou d'écoulement. Temps qui correspond à la
durée d'écoulement de l'eau à la surface ou dans les premiers horizons de
sol jusqu'à un système de collecte (cours d'eau naturel, collecteur).
•ta : Temps d'acheminement (Transfert). Temps mis par l'eau pour se
déplacer dans le système de collecte jusqu'à l'exutoire.
Le bassin versant et les temps caractéristiques
Les isochrones représentent les courbes d'égal temps de parcours
des eaux sur le bassin versant. Ainsi, l'isochrone la plus éloignée de
l'exutoire représente le temps mis pour que toute la surface du
bassin versant contribue à l'écoulement à l'exutoire après une averse
uniforme. Le tracé du réseau des isochrones permet donc de
comprendre en partie le comportement hydrologique d'un bassin
versant et l'importance relative de chacun de ses sous-bassins.
Thalwegs  réseau hydrographique
Thalwegs = Lignes de convergence et
de circulation préférentielle de l’eau
 Intégration des processus,
échelles et variabilités
D’après Auzet, 1999
Fonction aire normalisée
= fdp de l’aire contributive
en fonction de la distance hydraulique