Résumé - CHAPITRE 3 LES PRECIPITATIONS

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Hélène Pellerin
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1 Résumé - CHAPITRE 3 LES PRECIPITATIONS TABLE DES MATIERES Définition des précipitations 1 Mesure des précipitations 1 Mesure de la hauteur d eau précipitée 1 Le réseau d'observation 1 Notion d averses et d intensités 2 Analyse ponctuelle 3 Evaluation régionale des précipitations 4 Notion d abattement des pluies 5

3 Les précipitations et les régimes hydrologique 1 DEFINITION DES PRECIPITATIONS Les précipitations constituent la principale «entrée» des principaux systèmes hydrologiques continentaux que sont les bassins versants. Ce sont l ensemble des eaux météoriques qui tombent sur la surface de la terre, tant sous forme liquide (bruine, pluie, averse) que sous forme solide (neige, grésil, grêle) et les précipitations déposées ou occultes (rosée, gelée blanche, givre,...). Elles sont provoquées par un changement de température ou de pression. Les précipitations peuvent être classées en trois principaux types : les précipitations convectives, les précipitations orographiques et les précipitations frontales. Elles correspondent à différents mécanismes d ascendance (formation des nuages) et présentent des caractéristiques d intensité et de durée diverses. A l échelle mondiale, on peut classer les précipitations en plusieurs régimes pluviométriques. Ces régimes sont définis à partir des précipitations moyennes annuelles ou moyennes mensuelles. Les précipitations sont un des processus hydrologiques les plus variables. D une part, elles sont caractérisées par une grande variabilité dans l espace et ceci quelle que soit l échelle spatiale prise en compte (régionale, locale, etc.). D autre part, elles sont caractérisées par une grande variabilité dans le temps, aussi bien à l échelle annuelle qu à celle d un événement pluvieux MESURE DES PRECIPITATIONS Mesure de la hauteur d eau précipitée Quelle que soit la forme de la précipitation, liquide ou solide, on mesure la quantité d'eau tombée durant un certain laps de temps. On l'exprime généralement en hauteur d eau tombée horizontale (mm) ou en intensité (mm/h). Les principaux instruments de mesures des précipitations sont le pluviomètre et le pluviographe. Le pluviomètre : instrument de base de la mesure des liquides ou solides. Il indique la quantité d'eau totale précipitée et recueillie à l'intérieur d'une surface calibrée dans un intervalle de temps séparant deux relevés. Le pluviographe : instrument captant la précipitation de la même manière que le pluviographe. Son dispositif permet de connaître, outre la hauteur d eau totale, leur répartition dans le temps, autrement dit les intensités. Le réseau d'observation On appelle réseau d observation le réseau formé par l ensemble des stations pluviométriques pour un bassin versant ou une région donnés. Ils fournissent des mesures ponctuelles publiées, généralement par les services publiques, dans des annuaires pluviométriques.

4 2 Hydrologie générale - Résumé NOTION D AVERSES ET D INTENSITES On définit une averse comme un épisode pluvieux continu, dont la durée peut varier de quelques minutes à une centaine d'heures et intéresser une superficie allant de quelques kilomètres carrés (orages) à quelques milliers (pluies cycloniques). Elle est caractérisée à la fois par sa hauteur et sa durée, i.e. son intensité. L'intensité des précipitations varie à chaque instant au cours d'une même averse suivant les caractéristiques météorologiques de celle-ci. Plusieurs pointes d'intensité peuvent avoir lieu au cours d une même averse. L'intensité moyenne i m d une averse s exprime par le rapport entre la hauteur de pluie totale observée durant la durée t de l'averse. On peut aussi s'intéresser aux intensités observées sur des intervalles de temps au cours desquels on aura enregistré la plus grande hauteur de pluie. On parle alors d'intensité maximale. h im = t où i m : intensité moyenne de la pluie [mm/h, mm/min] ou intensité spécifique en prenant en compte la surface [l/s.ha], h : hauteur de pluie de l'averse [mm], t : durée de l'averse [h ou min]. A partir des enregistrements d'un pluviographe, deux types de représentation graphiques permettent d'analyser les averses d'une station : La courbe des hauteurs de pluie cumulées représente en ordonnée, pour chaque instant t, l'intégrale de la hauteur de pluie tombée depuis le début de l'averse. Préciptations cumulées [mm] janv-98 févr-98 mars-98 avr-98 mai-98 juin-98 juil-98 août-98 sept-98 oct-98 nov-98 déc-98 Exemple de courbe des pluies cumulées Le hyétogramme est la représentation, sous la forme d'un histogramme, de l'intensité de la pluie en fonction du temps Préciptations [mm/j] janv-98 févr-98 mars-98 avr-98 mai-98 juin-98 juil-98 août-98 sept-98 oct-98 Exemple de hyétogramme. nov-98 déc-98

5 Les précipitations et les régimes hydrologique 3 ANALYSE PONCTUELLE Les mesures ponctuelles acquises au niveau des pluviomètres ou des pluviographes sont analysées et soumises à différents traitements statistiques, à savoir : Statistique descriptive des séries de données (moyenne, médiane, écart-type, variance, quantiles, moments centrés, distribution, etc.) Les courbes IDF (intensité-durée-fréquence) Les courbes IDF représentent les relations entre les intensités, la durée et la fréquence d apparition des pluies. Elles permettent d'une part de synthétiser l'information pluviométrique au droit d'une station donnée et, d'autre part de calculer grossièrement des débits de projet, d'estimer des débits de crue, et aussi de déterminer des pluies de projet. Elles sont établies de manière analytique (formule de Montana ou de Talbot) ou statistique (analyse fréquentielle). Intensité Temps de retour T= 50 ans T= 10 ans T= 5 ans Durée Exemple de courbe IDF La structure des pluies La structure d une averse est définie comme la répartition de la hauteur de pluie dans le temps. Suivant le type d averse on observera des courbes de répartition différentes (pourcentage de la pluie totale en fonction du pourcentage de la durée totale). Exemples de courbes de répartition fraction cumulée des précipitations [%] fraction cumulée du temps [%] 2 Notion de temps de retour La notion de temps de retour est essentielle en hydrologie. On définit le temps de retour T d'un événement comme étant l'inverse de la fréquence d'apparition de l'événement. T = 1 1 F où F : probabilité de dépassement d un événement (1-F ): probabilité de non dépassement

6 4 Hydrologie générale - Résumé EVALUATION REGIONALE DES PRECIPITATIONS Suivant la longueur de la série de données dont on dispose, la densité du réseau de mesure, et la variation du champ pluviométrique, on utilisera préférentiellement l une des trois méthodes : la méthode de la moyenne arithmétique (peu utilisé), le calcul de moyennes pondérées avec l'utilisation, par exemple, de la méthode des polygones de Thiessen, et finalement les méthodes d'interpolation comme l utilisation d isohyètes ou le krigeage. Les méthodes les plus simples et les plus couramment utilisées pour calculer la pluie moyenne sur le bassin sont les méthodes d interpolation des données pluviométriques collectées sur le bassin ou à proximité de celui-ci. Elle convient notamment quand le réseau pluviométrique n'est pas homogène spatialement (pluviomètres distribués irrégulièrement) Elle affecte à chaque pluviomètre une zone d'influence dont l'aire, exprimée en %, représente le facteur de pondération de la valeur de l'enregistrement. La méthode des polygones de Thiessen P moy = Ê Ai¼Pi avec A : P moy : précipitation moyenne sur le bassin, A : aire totale du bassin (= A i ), P i : précipitation enregistrée à la station i, A i : superficie d influence du polygone associée à la station i. Les isohyètes sont des lignes de même pluviosité (isovaleurs de pluies annuelles, journalières, etc.) tracées grâce aux valeurs pluviométriques acquises aux stations du bassin et aux autres stations avoisinantes. Lorsque les courbes isohyètes sont tracées, la pluie moyenne peut être calculée de la manière suivante : La méthode des isohyètes (isovaleurs) K Ai Pi i= 1 hi + hi+ 1 Pmoy =, avec Pi = A 2 Avec : Pmoy : précipitation moyenne sur le bassin, A : surface totale du bassin et Ai : surface entre deux isohyètes i et i+1, K : nombre total d'isohyètes, Ces méthodes permettent aussi le calcul des lames d'eau moyennes à l échelle du bassin, la cartographie des précipitations, et le calcul de hyétogrammes moyens. Le calcul du hyétogramme moyen permet de connaître la quantité mais surtout la distribution temporelle de la précipitation pour un événement pluvieux sur un bassin versant donné, même s il est dépourvu d enregistrements pluviographiques. Le calcul du hyétogramme moyen se fait selon les étapes suivantes : Recueil des données des pluviomètres situés sur et autour du bassin. Etablissement des hyétogrammes ponctuels à un pas de temps donné (régulier et identique pour tous). Pour chaque pas de temps, calcul de la moyenne (arithmétique ou pondérée), puis reconstitution du hyétogramme moyen pour le bassin versant considéré.

7 Les précipitations et les régimes hydrologique 5 Notion d abattement des pluies La hauteur des précipitations tombant sur une surface diminue lorsqu'on s'éloigne du centre de l'averse. Il est possible de tracer les courbes donnant la répartition des hauteurs de précipitation en fonction de la surface considérée dans l'emprise d'une averse et ainsi de préciser le taux de décroissance, autrement dit le rapport de la hauteur de la lame d'eau moyenne à la hauteur de lame d'eau maximale. On peut également tracer des courbes donnant la valeur de ce rapport, appelé coefficient d abattement, en fonction de la surface considérée et de la durée ou de la hauteur de précipitation.

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