Le cycle de l eau et le bilan hydrologique

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1 Valérie Borrell Estupina L2 Hydrologie générale - Montpellier 2011 Le cycle de l eau et le bilan hydrologique Cycle Définition, Réservoirs, Flux Ordres de grandeurs Bilan hydrologique

2 Le cycle de l eau Cycle de l eau = Mouvement de l eau sur Terre Cycle fermé vision simplifiée = ATMOSPHERE Changements d état OCEAN MASSES CONTINENTALES Dans la réalité = Parcours non stéréotypé sans début ni fin : Cycle de l eau = Cheminement aux embranchements multiples / les mécanismes régissant le cycle hydrologique ne surviennent pas seulement les uns à la suite des autres, mais sont aussi concomitants

3 La répartition de l eau A l échelle du globe : Réservoirs d eau Les océans occupent 70% de la surface du globe et représentent env. 97% de la masse d eau de la Biosphère! OdG Principaux réservoirs d eau Océans : 97 % - Eau douce : 3% Glacier : 58 à 75 % Stock souterrain : 30.8 à 56 % Eau libre (lac, cours d eau) < 1% - Atmosphère (vapeur) : infime partie Les 3% de masse d eau restants sont sous forme de glace, neige, eaux profondes, eaux souterraines, eau courante. La part représentée par la vapeur d eau de l atmosphère y est négligeable.

4 La répartition de l eau L eau séjourne + ou - longtemps dans chaque réservoir : Sa vitesse de renouvellement conduit à la notion de Temps de séjour = Volume du réservoir / Flux entrant ou sortant [Ce temps de séjour vaut entre 0.03 an pour l atmosphère et est > 8200 ans pour les nappes souterraines]

5 La répartition de l eau Le cycle de l eau ne concerne qu une très faible partie du volume total de l eau sur Terre : Stock d eau mondial = *10 12 m 3 Pluie moyenne de 1 m sur toute la surface du globe en 1 an = 511 * m 3 -> soit 0.035% qui conditionne la vie à la surface du globe Le cycle de l eau l se définit à l é échelle du globe ATMOSPHERE OCEAN 36 *10 12 m 3 /an MASSES CONTINENTALES Rem : ( ) *10 12 = 505 *10 12 mm de pluie ok! Ordre de grandeur des flux échangés entre les compartiments Flux variables dans l espace : ex R/P (Australie) 10%, R/P(Europe) 43% Flux sur les océans : E>P, bilan équilibré par les écoulements des continents

6 Le cycle de l eau Pour conclure, sur le cycle hydrologique : Importance de l estimation des temps de séjour et de renouvellement (en cas de pollution par exemple) Importance de l estimation des flux (connaître les flux évaporés pour étudier la faisabilité de construction de réservoirs d eau par exemple) Attention : le cycle hydrologique peut être influencé à des degrés divers par les activités humaines : la construction de réservoirs, le transport de l'eau pour des besoins industriels, le captage des eaux phréatiques, l'irrigation, le drainage, la correction des cours d'eau, l'utilisation agricole des sols, l'urbanisation, les pluies provoquées, etc., sont des exemples d interventions humaines sur le cycle de l eau pour lesquelles il est nécessaire d évaluer l impact.

7 Valérie Borrell Estupina L2 Hydrologie générale - Montpellier 2011 Le cycle de l eau et le bilan hydrologique Cycle Définition, Réservoirs, Flux Ordres de grandeurs Bilan hydrologique Établissement d un bilan hydrologique Exemples d application

8 Le bilan hydrique HYDROLOGIE = science physique pour laquelle la connaissance du milieu est LIMITEE Illustration Ruissellement de surface - Echelle des lois / Echelle d appréhension du milieu La méthode «expérimentale» en hydrologie n est jamais possible car on ne maîtrise jamais l ensemble des paramètres du cycle de l eau et ce quelque soit l échelle (même très fine) BVNE = tt petit bv instrumenté où sont effectuées des recherches en hydrologie => on utilise des modèles simplifiés ou des concepts BILAN HYDROLOGIQUE = un de ces modèles simplifiés = la conservation de la masse pour un système donné - Le système et les échelles spatiales? En général le bassin versant, une zone géographique, la parcelle ou l unité hydrologique, le versant, le bassin versant, le bassin hydrographique, le continent... - Les échelles temporelles? L année, la saison, un mois, durée d un événement pluvieux,

9 Le bilan hydrique = Equation du bilan hydrique/hydrologique sur un intervalle de temps équation de continuité Apport d une substance ou d une énergie (grandeur qui se conserve dans le temps) Pluie, Ruissellement, Écoulement dans les cours d eau S E SYSTEME Variation de Stock Contenu en eau du BV, volume d un tronçon de rivière, volume d une nappe, d un lac, humidité du sol Volumes sur une période donnée Stock = S E -S S Valeurs moyennes : Stock / t = Q E -Q S année hydrologique L année hydrologique débute à la fin de l été hydrologique lorsque la végétation a épuisé toutes les réserves en eau de la zone racinaire Ru=0 S S Excédent s écoulant par l EXUTOIRE Ruissellement, Écoulement dans les cours d eau, Evaporation Flux instantanés : dstock / dt = Q E -Q S

10 Le bilan hydrique = Équation du bilan hydrologique pour une unité d espace sur une période donnée P = Précipitations (liquide et solide) [mm] P Unité d espace Variation de stock Déficit d écoulement ou Variation des réserves en eau P = R + ET + S R + ET R = Ruissellement de surface et écoulements souterrains [mm] ET = évaporation et évapotranspiration [mm] Variation du contenu en eau de la zone racinaire (eau disponible pour les plantes, Réserve hydrique = Ru) Variation de contenu en eau de la zone sub-surfacique surfacique et souterraine (eau que l on pourra retrouver dans les écoulements à l exutoire, Réserve hydrologique = Rh) Cette formule est valable pour n importe quels pas de temps et d espace.

11 Le bilan hydrique = Equation du bilan hydrique/hydrologique sur un intervalle de temps équation de continuité année hydrologique P = Précipitations (liquide et solide) [mm] S = Ressources disponibles à la fin de la période précédente (eaux souterrains, humidité du sol, neige ) [mm] P + S Mesures / observations / formules empiriques SYSTEME Variation de Stock Déficit d écoulement [mm] relatif à un intervalle de temps donné P + S = R + ET + S + S R + ET+S R = Ruissellement de surface et écoulements souterrains à l exutoire [mm] ET = évaporation et évapotranspiration [mm] S = Ressources accumulées à la fin de la période étudiée [mm] L'application de la méthode du bilan hydrologique est limitée par la difficulté de quantifier les variables ( processus hydrologiques difficiles à observer directement + répercussions des erreurs de mesure ).

12 Le bilan hydrique = Équation du bilan hydrique à l échelle d une parcelle sur une période donnée P = Précipitations (liquide et solide) [mm] Ru = S : le stock d eau de la zone racinaire varie I : alimente Rh R néglig gligé P ET Ru I = Infiltration en dessous de la zone racinaire [mm] ET = évaporation et évapotranspiration [mm] P = I + ET + Ru I La zone est une plante ou une parcelle.

13 Le bilan hydrique ET Mesure précipitations P Noté Q D (vers Rh) Mesure humidité du sol (Ru) Schéma d'une case lysimétrique (Laborde, 1995) Bilan hydrique : P - D - Q - Ru = ET

14 Le bilan hydrique Bac d évaporation = sorte de modèle réduit du lac, paramètres climatiques bac = ceux du lac : Evap. (lac) = Cbac * Evap. (bac) en 1ière approx. avec Cbac = coef. correction Bilan Hydrique : En volumes d eau pour Dt : Evap. (bac) = S Entrant - S Sortant DS DS = variation du stock d eau dans le bac pendant Dt Cf. TD

15 Le bilan hydrique - Conclusion Limites d applications du bilan hydrologique : Les résultats de calculs de bilan sont dépendants du pas de temps choisi! Attention de bien choisir le pas de temps / aux objectifs de l étude La valeur de chacun des termes du bilan est dépendante des autres termes Évaluation de l erreur ou de l incertitude sur chacun des termes quasi impossible Attention aux grossières erreurs d interprétation! L'application de la méthode du bilan hydrique est limitée par la difficulté de quantifier les variables ( processus hydrologiques difficiles à observer directement + répercussions des erreurs de mesure ).