Le bassin versant. Définition Comportement hydrologique Caractéristiques Temps de concentration

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1 Valérie Borrell Estupina Cycle de l eau et Bassin versant Master 1 Eau Montpellier 2011 Le bassin versant Définition Comportement hydrologique Caractéristiques Temps de concentration Notes Notes Notes Notes extraites extraites extraites extraites du cours cours cours cours

2 Le bassin versant Bassin Versant (BV) = L unité de référence en hydrologie. Son rôle = collecter les eaux de pluie et concentrer les écoulements vers les cours d eau. Il permet ainsi la mise en relation des précipitations au sol et des débits observés dans les cours d eau. Définitions = Bassin versant = bassin topographique = bassin fluvial = bassin hydrographique parfois impluvium (sauf si eaux minérales) BV = région qui possède un exutoire commun pour tous ses écoulements de surface. Un BV est toujours associé à : - un cours d eau - une section de ce cours d eau : l exutoire ou émissaire

3 Le bassin versant Bassin Versant (BV) = L unité de référence en hydrologie. BV = région qui possède un exutoire commun pour tous ses écoulements de surface. Un BV est toujours associé à : - un cours d eau - une section de ce cours d eau : l exutoire ou émissaire Section exutoire Cours d eau BV Ligne de partage des eaux (condition de flux nul) BV = zone géographique (unique) drainée par un cours d eau (et ses affluents) à son exutoire Aire BV : de qqs ha à qqs millions de km 2 : BV Amazone : km 2 BV Roujan : 91 ha soit 0,91 km 2

4 Le bassin versant Limites de la notion de LIGNES DE PARTAGE DES EAUX identifiées es à partir des courbes de niveaux Bv hydrogéologique ou réel Bv topo Dans le cas où l alimentation des cours d eau ne se fait que par le ruissellement de surface, cette définition du bassin versant ne pose pas de pb. formation perméable Substratum imperméable Lorsque des écoulements souterrains, guidés par le pendage* des couches géologiques les moins perméables, contribuent aussi aux écoulements des cours d eau, la frontière du bassin d alimentation ne correspond alors plus à la frontière du bassin topographique. *inclinaison des formations géologiques sédimentaires Bv topographique / hydrogéologique BV topo : écoulement superficiel prédominant / apport souterrain BV hydrogéol : délimitation de la zone d alimentation du cours d eau à partir de la connaissance topographique et de la connaissance des formations géologiques du site (=impluvium pour les eaux minérales)

5 Le bassin versant Limites de la notion de LIGNES DE PARTAGE DES EAUX identifiées es à partir des courbes de niveaux Bv hydrogéologique ou réel Bv topo Cette notion de bassin hydrogéologique est aussi très importante dans le cas des bassins karstiques* au sein desquels les écoulements souterrains peuvent être non négligeables voire devenir dominants par rapport aux écoulements de surface. formation perméable Substratum imperméable Bv topographique / hydrogéologique Exemple de certaines régions karstiques : Bassin de la Sorgue Bassin versant du Lez *KARST = ensemble de formes superficielles et souterraines résultant de la dissolution de roches carbonatées (calcaires, dolomies) par l eau rendue acide par le dioxyde de carbone.

6 Le bassin versant Limites de la notion de LIGNES DE PARTAGE DES EAUX identifiées es à partir des courbes de niveaux Bv phréatique Bv topographique Coupe de terrain Le relief de la nappe phréatique définit le BV phréatique dont les limites évoluent dans le temps (évolution de l état de la nappe) Différence généralement minime pour les gds BV «naturels», parfois importantes pour les pts BV urbains. BV topographique / BV phréatique

7 Le bassin versant Bassin versant et influence anthropique : Barrières artificielles : digues, chemins de fer, routes Apports latéraux artificiels : réseaux d eaux usées ou potables, drainages, routes, fossés, retenues, pompages ou dérivations artificielles modifiant le bilan hydrologique, sillons de labour => BV = Limites topographiques, limites souterraines, effets anthropiques

8 Le bassin versant Bassin versant et Exutoire Bassin ayant plusieurs exutoires : S ils sont pourvus d un lac possédant plusieurs sorties (lac du Wollaston au Canada) Zone exutoire en terrain plat Le nombre d exutoire peut varier dans le temps (moins nombreux en période d étiage) Bassin endoréique : BV sans exutoire superficiel, caractéristique zone aride (Bassin intérieur, bassin fermé) Exemples : la mer morte au Moyen-Orient (salinité élevée), la mer d Aral (entre Kazakhstan et Ouzbékistan), le Grand Lac Salé (près de Salt Lake City) Une doline (petite dépression fermée que l on trouve en région karstique) Vue en coupe Vue en plan

9 Le bassin versant Délimitation des frontières res d un BV topographique = Limites du BV = les LIGNES DE PARTAGE DES EAUX identifiées à partir des courbes de niveaux => lignes de crêtes, sommets et thalwegs, points hauts de la région REM : Ligne de crêtes et de talwegs : Passent par les extrema (crêtes : max / talwegs : min) et les cols de la surface La courbure horizontale de la ligne de niveau y présente un maximum (la concavité est inversée entre lignes de crêtes et de talwegs) altitude z2 z1 x1 Section exutoire x2 x3 BV Cours d eau Position x4 xi le long du plan fictif x1 x2 x3 x4 Z1 Points hauts, sommets Z2>Z1 Ligne de partage des eaux Ligne de crête entre les 2 sous bassins versants Plan fictif perpendiculaire à la carte

10 Le bassin versant EN BREF : On retiendra que : Le BV se délimite avec la topographie Sa délimitation permet de comparer lame d'eau précipitée et écoulement dans le cours d'eau. Les écoulements et précipitations sont alors exprimés en équivalent lame d eau [mm]. Le système d alimentation du réseau hydrographique ou des sources/résurgences est délimité par le bassin hydrogéologique Cette zone d alimentation, dont la géométrie peut être variable dans le temps, vient «s ajouter» à l impluvium de surface. Enfin, la géométrie du bassin versant peut évoluer sous l effet de forçages anthropiques. Lame d eau [mm] = Débit [m 3 /s] * Durée d écoulement annuel [s] / Superficie du BV [km 2 ] / 1 000

12 Le bassin versant La réaction du BV face à une sollicitation (précipitation) se mesure par l observation de la quantité d eau qui s écoule à l exutoire du système Représentations graphiques : HYDROGRAMME DE CRUE : Q(t) LIMNIGRAMME : H(t) Temps de réponse du BV = Temps écoulé entre le centre de gravité de l averse et le débit de pointe HYETOGRAMME : P(t) Pluie (mm) Temps (heures ) Débit (m3/s) 35 0 HYDROGRAMME Le rêve de l hydrologue : déterminer Q connaissant P... ce sera l objet de ce cours

14 Intitulé Superficie du BV Formule = Aire (km²) circonscrite par la ligne de partage des eaux + S BV gd => + la pluie captée gde => potentiellement + le Q crue pourra être gd Superficie du BV = Aire (km²) circonscrite par la ligne de partage des eaux + SBV gd, + la pluie captée gde Exemples de loi : Q(crue moy) = 1.61 *A 0.70 Remenieras Extrait du stage de Cipriani Thomas M2 GERE Qi10=0.70*Sh 0.85 Alpes internes Nord cemagref Qi10=2.84*Sh 0.69 Piémont Azuréen cemagref Ou bien : Q(T) = constante (OdS, Pluie(T)) * A

15 Intitulé Allongement du bassin Indice de compacité = Coefficient de Gravelius 1914 (forme BV) Formule M : allongement L : le plus long cheminement hydraulique A : superficie du bassin Ce coefficient est utilisé pour corriger un débit évalué par des formules empiriques dans le cas où le bassin est très allongé ou au contraire très ramassé. L idée est que le débit varie à l inverse de l allongement. A = surface du bassin versant (km 2 ) P = périmètre du bassin versant (km) M = K G = K G =Périmètre du BV/ Périmètre du cercle de même surface L A P A KG#1 KG>1 BV à forme + compacte Temps de parcours max + faible Et donc débit de pointe plus fort

16 Intitulé Formule Courbe hypsométrique Altitude Altitude max z i Altitude médian e Altitude min (exut) A i 50% Abv (km²) A i /Abv 100 (%) Rectangle équivalent = répartition des surfaces du bassin en fonction de l altitude. Elle décrit le % de l Aire BV au dessus / au dessous d une altitude donnée Le relief influence les écoulements (précipitations, T et végétation varient avec l altitude, vitesse des écoulements varient avec la pente ) Ai : aire du BV dont l altitude est au moins z i Altitude moyenne = Aire du BV A i.z *(z i i +z i+1 )/2 i Longueur du rectangle équivalent (rectangle de Gravelius; Roche 1963) : L=? L = P + 2 P 4 16A Entre le BV et le Rect équivalent on a : A= ; P= ; KG= ; => répartition hypsométrique = A bv A = Ll P = 2( L + l)

17 Le bassin versant - Caractéristiques Intitulé Pente Moyenne du BV urbanisé (m/m) Indice de pente global Coefficient ruissellement Très utilisé! Mais attention!! de Formule I : la pente moyenne L : le plus long cheminement hydraulique constitué de tronçons successifs de longueurs L K et de pente constante I K Z= Altitude max Altitude min (de la rivière) L: longueur du rectangle équivalent Coefficient de ruissellement = Pour une crue, Volume des eaux qui ruissellent en surface / Volume des eaux précipitées. Permet de déterminer le Qp. Caractérise les processus de transfert. Se détermine à partir d une table de valeur, ou bien que se calcule à partir de l occupation du sol. Se détermine aussi à partir des hydrogrammes de crues et des hyétogrammes observés. Coefficient d écoulement = Rapport entre volume d eau écoulée et volume d eau précipitée sur une durée T et pour un BV donné. L eau peut venir de ressources souterraines, d antécédents pluvieux = Coefficient d apport en hydrologie urbaine I = L L K I K Z I g = L 2

18 Le bassin versant - Caractéristiques Coefficient de ruissellement Pour un bassin urbain : Cr = taux d imperméabilisation du BV = Cr = A / A Cr = Superficie de la surface revêtue / Superficie totale du Bassin Cr urbain > 0.2 car la superficie de la voirie et des aires de services ~ 20% *A Pour un bassin rural : Type de sol Couverture du bassin versant Cultures Pâturages Bois, Forêts A fort taux d'infiltration Sols sableux ou graveleux A taux d'infiltration moyen Limons et sols similaires A faible taux d'infiltration Sols lourds, argileux Sols peu profonds sur le substratum Milieu imperméable Autres données tabulées : Cr = f( pente, texture du sol, végétation) Mais le volume infiltré dépend aussi du contenu en eau initial du BV... Extrait du SCS

19 Intitulé Formule Ordre d un cours d eau : classification qui reflète la ramification d un réseau de drainage Classification topologique de Strahler (1957) À chaque cours d eau ordre j - Un cours d eau sans affluent est d ordre j=1 - À une confluence entre 2 cours d eau d ordre i etj le cours résultant est d ordre le max(i,j) si i j d ordre j+1, si i=j Rapport de confluence (développement du réseau de drainage) Nx= nombre de cours d eau d ordre x Nx+1 = nombre de cours d eau d ordre x+1 R c = N N x x+1 Rapport de longueur lx+1 = longueur moyenne des cours d eau d ordre x+1 Lx = longueur moyenne des cours d eau d ordre x R l = l x + 1 l x

20 Le bassin versant - Caractéristiques Intitulé Densité de drainage (Horton) Sol perméable, couvert végétal, Peu de relief Peu de végétation, relief marqué Formule L = la longueur totale de tous les cours d eau, Dd = exprimée en km/km² Abv = surface du bassin (en km²) Dd 3 à 4 : réseau à développement très limité à Dd 1000 réseau très ramifié Un réseau dense aura une Dd gde et des ordres élevés, il est susceptible de favoriser un drainage rapide du BV Dd = L i A bv i

21 Intitulé Indice de couverture forestière Formule Indice de couverture forestière = Surface forêt / Aire du BV *100 = Caractérisation du comportement hydrologique d un BV à partir de son couvert végétal (ici la forêt) Interception d une partie du volume des pluies Amortissement des crues de faibles et moyennes amplitudes Limitation de l érosion Taux d imperm imperméabilisation Indice de surface d eau libre = lac, cours d eau, canal Idem avec les surfaces imperméables Augmentation du taux d imperméabilisation => diminution de l infiltration => augmentation de la lame d eau ruisselante => diminution des temps des réactions Indice de surface d eau libre = Surface eau libre / Aire du BV *100 = Caractérisation du comportement hydrologique d un BV à partir de son occupation des sols (ici les surfaces d eau libre) Amortissement ou laminage des crues : Qp diminue par stockage temporaire Rhône Porte du Scex Extrait de Musy Lac Léman Genève

23 Le bassin versant Temps de concentration Temps de concentration = Le temps de concentration (tc ( tc) des eaux sur un bassin versant se définit comme le maximum de durée nécessaire à une goutte d'eau pour parcourir le chemin hydrologique entre un point du bassin et l'exutoire. Il dépend des caractéristiques ristiques du bassin versant. => Tc = durée MAX mise par une goutte d eau qui ruisselle sur le BV pour atteindre l exutoire Détermination de Tc??? exutoire => Estimation par de nombreuses formules empiriques. Chacune établie à partir d un ensemble de bassins versants observés. => Tc_du BV = MOYENNE (Tc_calcul Tc_calculés par x formules)

24 Le bassin versant - Isochrones Temps de concentration Pluie constante et infinie exutoire temps & Hydrogramme de crue : Une pluie homogène (invariante par translation) et uniforme (invariante dans le temps) incidente sur le BV va engendrer une croissance des débits à l exutoire jusqu à une valeur maximale pour laquelle tout le bassin contribuera au débit à l exutoire. Une fois le débit maximum atteint, l hydrogramme reste sur cette valeur plateau tant que la pluie constante incidente dure. pluie débit Temps d équilibre = Tc Qp Qn<Qp exutoire Tn<Tc temps