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Hydrologie Générale

Cycle de l’eau – Bassin versant

Pierre Ribstein &Ludovic Oudin

[email protected] [email protected]

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Plan du cours

1. Introduction sur l’hydrologie

2. Échelles spatiales de travail et bilanshydriques correspondants

3. Bassin versant : caractérisation géographique

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Quelques références

Des références

Roche P.A., Miquel J., Gaume E. (2012). Hydrologie quantitative, processus, modèles et aide à la décision. CollectionIngénierie 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, PressesPolytechniques et Universitaires Romandes, Lausanne.

Anctil F., Rousselle J., Lauzon N. (2005). Hydrologie. Cheminements de l’Eau. Presses InternationalesPolytechniques.

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 Recherchesd’Electricité de France, éditions Eyrolles, Paris.

Cours e-drologie : http://hydram.epfl.ch/e-drologie/

Site hydro : http://www.sisyphe.upmc.fr/~m2hh/

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1. Introduction sur l’hydrologie

1. Bref historique

2. Enjeux scientifiques et opérationnels

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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 ?

Platon(427 - 348 av. JC)

Aristote384 - 322 av JC

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L’hydrologie expérimentale

La Seine à Aignay-le-Duc La Seine à ParisEstimations dePerrault (1674)

Estimations actuelles Estimations deMariotte (1686)

Estimations actuelles

Surface du bassin(km²)

118.8 93 53 500 44 320

Pluie annuelle (mm) 518 900 459 750

Débit (mm) 80 340 67 194

Déficit d’écoulement(mm)

438 560 392 555

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L’hydrologie scientifique (1700 - …)

- Mécanique des fluides : Théorème de Bernoulli (1739)

- Eaux souterraines : équation d’écoulement capillaired’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.

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Définition classique de l’hydrologie

La science qui étudie les propriétés, ladistribution et la circulation de l’eau

à la surface de la terre, dans les sols,dans les souterrains et dansl’atmosphère.

Hydrologie « fondamentale » : Etudesdes processus hydrologiques

Hydrologie « appliquée » : Approchesheuristiques, échelle régionale

Hydrologie « globale » : Etudes des

interactions climat et océan

Echelle spatiale « F o n d

a m e n t a l i s m

e »

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Le cycle hydrologique global

Échelle de temps et d’espace des processus hydrologiques

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Enjeux de l’hydrologie de surface quantitative

Prévision des crues Prévision des étiages

Dimensionnementd’ouvrages

Impact de l’anthropisation

Gestion d’ouvrages

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PrédéterminationRecherche d’une distribution

statistique d’une grandeur X pourl’évaluation d’un risque ou d’une

probabilité

Simulation des débitsEvolution d’une grandeur X

dans le temps

L’hydrologie : prévision et prédétermination

Protection et prévention

Prévision

X

Tirage annuel Fréquence0 1

X

Maintenant

Approche Pluie-Débit

12

•65% chances d’avoir une crue décennaledans les dix prochaines années.

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L’hydrologie : Crue et inondation

• Crue:Augmentation plus ou moins brutale du débit et par conséquent de lahauteur 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 espaceterrestre; l'inondation est à la fois :

• un phénomène naturel ou induit involontairement par destransformations 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

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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 miseenservice

Bassin

versantintercepté(km²)

Volume(10 6 m3 )

Yonne 1950 220 80

Seine 1966 2400 205Marne 1974 2950 350

Aube 1990 1700 170Total 7250 805

des barrages d’écrêtement des crues…

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• But : Décaler, avec la Bassée, les crues de la Seine pour laisser passerles flots de l’Yonne

Au plus près de laconfluence,

retenir les eaux de la Seine

aumoment du passage dumaximum de la crue de

l’Yonne

55 M m3 stockables

exemple d’aménagement dans le bassin de la Seine

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Enjeux liés aux inondations

Source : National Weather Service

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2. Échelles spatiales de travail et bilanshydriques 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 phase

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Les échelles spatiales de l’hydrologie : L’échelle régionale

Débit à l’exutoire(mesuré à une section de contrôle)

Pluie de bassin

ETP de bassin

ETR

Pluie = Evapotranspiration + Débit+/- Variations de stock +/- échanges souterrains

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Les échelles spatiales de l’hydrologie : L’échelle de la parcelle

Pluie

ETP

ETR

Infiltration

Pluie = Evapotranspiration+ Infiltration (recharge)

+ Variations de stock ZNS(+ Ruissellement)

(Ruissellement)

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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)

Ressource en eau : les flux en France

en milliards de m3 (km3) par an

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Ordres de grandeurs des termes du bilan hydrique (en lames d’eau annuelles)

Précipitations Évaporation Écoulement

mm mm mm

Europe 790 507 283Afrique 740 587 153

Asie 740 416 324Amérique du

Nord 756 418 339

Amérique du Sud 1600 910 685Australie et

Océanie 791 511 280

Antarctique 165 0 165Moyenne pour

tous lescontinents 800 485 315

Continents

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 traversd’un cours d’eau. Un bassin versant dépend d’abord du choix de sonexutoire

Si le sol était imperméable, le bassin versant ne dépendrait, l’eaucoulant 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…maislimites administratives souvent différentes des limites naturelles;exemples : bassins transfrontaliers

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Equations de conservation = Équations différentielles pourla conservation de la masse, de l’énergie, de la quantité de

mouvement, lois de thermodynamique

Connaissance des processus hydrologiques aux limites

Le bassin versant : définition

dt

dS t qt i )()(

Système hydrologique

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Délimitation d’un bassin versant

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Exutoire du bassin

Réseau hydrographique pérenne

Courbes de niveau

Contour du bassin

Ligne de crête

Méthode manuelle

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Délimitation d’un bassin versant

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Délimitation à partir d'un ModèleNumérique de Terrain (MNT) sous un

SIG (Sytème d'InformationGéographique)

Méthode automatique

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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 km²Rhin: 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

Rivière stationBV

géographiqueBV

hydrologique

Bourne Choranche 246 km2 446 km2

Vernaison Royans 281 km2 81 km2

Région de calcaires et dolomites ayant une topographie souterraine particulière due à ladissolution de certaines parties du sous-sol et au cheminement des eaux dans les galeries

naturelles ainsi formées.

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Bassin topographique et bassin souterrain

Si le sol était imperméable, le bassin versant ne dépendrait que de latopographie, 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 :

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Bassin topographique et bassin souterrain

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Exemple : capture du bassin topographiqued'Etretat par le bassin souterrain d'Yport

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ExokarstFormes d’entrée

Endokarst

perte

aven

doline

poljé

Reculéelapiaz

Réseaux

souterrains

noyésgrotte

source karstique =

exurgence

source de trop

pleinNiveau de base

Résurgence

Formes de sortie

Relief ruini forme

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Bassin versant endoréique

" Se dit d’un bassin qui possède unréseau hydrographique, ou tout du

moins un embryon de réseau, mais sansouverture sur la mer ou sur un lac de

grande superficie. Quelques exemples :doline ayant un bassin d’alimentationpourvu d’un réseau organisé, piedmonts

de massifs sahariens dont le réseaudébouche dans des mares sans exutoire

ou s’évanouit dans les sables, etc… "

Lac Titicaca

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Exemple de bassin endoréique du Lac Tchad

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3. Bassin versant : caractérisationgéographique et réponse hydrologique

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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

C té i ti é hi d b i t

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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, surfacesurbanisées, surfaces d’eau libre, présence de neiges ou de glaciers), la

nature du sol ; la géologie du substratum (perméabilité, écoulement de

l’eau souterraine, …).

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Caractérisation géographique du bassin versant : coefficients de forme

37

Coefficient de Gravélius (compacité) : rapport entre périmètre du bassin etcirconférence du cercle de même surface

S

P

S

P

S

P

R

PK G 28.0

2

11

22

KG = 1 cercle

KG = 1.128 carré

KG > 3 Bassin très allongé

KG = 2.5 KG = 1.8 KG = 1.3 KG = 1.1

C é i i é hi d b i F

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Caractérisation géographique du bassin versant : Forme

Rectangle équivalent : rectangle ayant la même surface et lamême périmètre que le bassin

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L

l

C té i ti é hi d b i t R li f t t

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Caractérisation géographique du bassin versant : Relief et pente

Courbe hypsométrique : Histogramme des altitudes

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C té i ti é hi d b i t R li f t t

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Caractérisation géographique du bassin versant : Relief et pente

Indice global de pente

40

Z5 Z95

95

5

L

Z Z

I G595

L

Caractérisation géographique du bassin versant : Réseau

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g g p q

hydrographique

Densité de drainage : Rapport de la somme des longueurs descours d’eau pérennes sur la surface du bassin

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A

L

D

H

D

Lh1

Lh3

Lh2

Lh4

Caractérisation géographique du bassin versant : Réseau

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g g p q

hydrographique

Ordre des cours d’eau (Classification de Strahler, 1957)

42

(1)

(1)

(1)

(1)

(2)

(2)

(2)

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Modèles Numériques de Terrain (MNT):fichier des altitudes connues aux nœudsd’une grille régulière.

On peut en déduire d’autres fichiers :

fichiers pentes, orientations, directions dedrainage …

Le bassin versant : outils d’analyse spatiale

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Bendjoudi, H. and P. Hubert, Le coefficient de compacite de Gravelius : analyse critiqued'un indice de forme des bassins versants, Hydrological Sciences Journal – Journal des

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Le bassin de la Seine

KG : 1,10 to 1,41

, y gSciences Hydrologiques , 47 (6), 921-930, 2002

Le bassin versant et les temps caractéristiques

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Le temps de concentration (tc) des eaux sur un bassin versant est lemaximum 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'eauqui tombe avant qu'elle ne ruisselle.

•tr : Temps de ruissellement ou d'écoulement. Temps qui correspond à ladurée 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 sedéplacer dans le système de collecte jusqu'à l'exutoire.



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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

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D’après Auzet, 1999

Thalwegs

réseau hydrographique

Thalwegs = Lignes de convergence etde circulation préférentielle de l’eau

Intégration des processus,échelles et variabilités

Fonction aire normalisée

= fdp de l’aire contributive

en fonction de la distance hydraulique

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