Résumé - CHAPITRE 6 LE STOCKAGE ET SES VARIATIONS

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1 Résumé - CHAPITRE 6 LE STOCKAGE ET SES VARIATIONS Table des matières Introduction 1 Les stocks d'eau de surface 1 Les stocks d'eau souterraine 2 L'eau du sol 2 L'eau du sous-sol ou souterraine 3 Les stocks d'eau sous forme solide 4

2 Le stockage et ses variations 1 INTRODUCTION Le stockage d'eau est un terme qui intervient dans le bilan hydrologique pour l'essentiel sous la forme différentielle S dans l'équation : P=R+E± S. Le stockage se distingue sous trois formes : le stock d'eau de surface : - eau accumulée dans les dépressions de la surface du sol le stock d'eau souterraine : - eau emmagasinée dans le sol et dans le sous-sol le stock d'eau sous forme solide : - eau contenue dans les couvertures neigeuse et glaciaire LES STOCKS D'EAU DE SURFACE La rétention de surface comprend toute l'eau accumulée sur, ou au-dessus du sol. Elle comprend l eau interceptée qui est la fraction de la pluie retenue par le couvert végétal et le stockage superficiel qui est celle emmagasinée dans les dépressions du sol (des plus petites, dues à la rugosité du sol, aux plus grandes plaines inondées, lacs, marais, étangs, réservoirs artificiels, océans etc.). Selon l échelle de temps (averse, saison, année, etc.) et l échelle spatiale (type de dépression) on peut donc distinguer : Réservoirs temporaires sur les versants (rugosité du sol) : - Ce sont les petites dépressions de surface qui se remplissent dès que l'intensité des précipitations est supérieure à la capacité d infiltartion du sol. Pendant et après l'averse, l'eau emmagasinée dans ces dépressions s'infiltre dans le sol, ou est utilisée par les végétaux ou encore s'évapore directement. Réservoirs d'eau de surface pérennes et importants : - Ce sont les lacs, les étangs ou les plaines inondées etc., naturels ou artificiels. Ils interviennent directement dans le bilan hydrologique du fait de leur capacité de stockage temporaire d un certain volume d eau, par les échanges d'eau avec le sol (relations eau de surface-nappe), et finalement en favorisant l'évaporation à leur surface. Le stockage est fondamental, car il provoque le laminage des crues et influence donc le comportement dynamique des cours d eau à l aval. Leur étude concerne la limnologie qui étudie notamment : - la morphologie, et l'origine des plans d'eau, - le bilan des entrées et des sorties d eau et de ses variations, - les phénomènes physiques dominants tels que le vent, la température, les courants, ect. - les caractéristiques biologiques et leurs dynamiques.

3 2 Hydrologie générale - Résumé LES STOCKS D'EAU SOUTERRAINE Au-dessous de la surface du sol, deux zones peuvent être identifiées de haut en bas : La zone non saturée, système à trois phases (solide, liquide, gaz) ou seule une partie des espaces lacunaires sont remplis d'eau, le reste étant occupé par l'eau du sol, La zone saturée, système à deux phases (solide, liquide) où tous les pores sont remplis d'eau. La distinction entre les deux zones se fait à la hauteur correspondant à l'élévation de la frange capillaire située au-dessus de la nappe d eau. Frange capillaire Nappe Zone non saturée Zone saturée Les contraintes qui régissent la circulation de l eau dans toute l épaisseur du sol et du sous-sol amène à distinguer l eau du sol, assimilée à celle se trouvant dans la zone non saturée essentiellement, et l eau des réservoirs souterrains (les nappes souterraines). Ces deux «compartiments» sont étudiés séparément. Distinction entre la zone non saturée et la zone saturée L'eaudusol Le sol dans sa partie non saturée apparaît comme un complexe dynamique à trois phases : liquide, solide et gazeuse. L'eau du sol, faisant partie de la phase liquide du sol, alimente les racines des végétaux et constitue un espace de transition important pour l eau des nappes souterraines (alimentation, évaporation). Humidité du sol Teneur en eau volumique ou humidité volumique θ : rapport du volume d'eau présent dans le sol au volume apparent de ce sol. Cette teneur peut aussi s'exprimer par un indice de saturation. -0,1 z[m] θ 2 < θ 1 t 2 t 1 teneur en eau θ Teneur en eau pondérale ou humidité pondérale w : masse d'eau contenue dans un échantillon de sol, rapportée à la masse des particules de sol sec. Profils hydriques : profils successifs permettant de décrire la variabilité spatiale et temporelle de la teneur en eau dans le sol. -1,0 Surface de la nappe Frange capillaire Exemples de profils hydriques au temps t 1 et t 2 (d après Musy et Soutter, 1991) Etat énergétique de l'eau dans le sol La dynamique de l'eau résulte de l'action de différents champs de forces auxquelles elle est soumise : force de gravité,decapillarité,d'adsorption,etc. La charge hydraulique totale H, est définie comme la somme des énergies potentielles de pression h et de gravité z principalement, rapportée à l'unité de poids de liquide : H=h+z Les profils de charge de pression, de gravité et de charge totale permettent de déterminer la direction des transferts de l'eau, dans le sens des potentiels décroissants.

4 Le stockage et ses variations 3 La loi de comportement dynamique de la phase liquide d'un sol, dite loi de Darcy, traduit l'existence d'une relation entre les forces auxquelles est soumis le fluide et du flux d'écoulement. Loi de comportement de Darcy La loi de Darcy s exprime comme suit : q = K dh s dz q : flux transitant [mm/h] H : charge hydraulique totale [m] z : profondeur à partir de la surface du sol [m] K s : conductivité hydraulique à saturation [mm/h]. L'estimation des volumes d'eau écoulés pendant une certaine durée et à une certaine profondeur est réalisé à l'aide de profils hydriques. Elle repose sur l'application de l'équation de continuité. Quantification des flux d'eau La loi de continuité s'exprime suit : θ q = t z θ : variation de la teneur en eau [m 3 /m 3 ], q : variation du flux transitant [mm/h] ; z : variation de la profondeur [mm] ; t : variation du temps [h]. L'eau du sous-sol ou souterraine L hydrogéologie est la discipline des sciences hydrologiques qui s'occupent des eaux souterraines. Elle se base sur l analyse de deux entités essentielles, l aquifère et la nappe d eau souterraine. L'aquifère (formation géologique perméable, sol ou roche) constitue le réservoir des nappes d'eau souterraines. La nappe d'eau souterraine est constituée par l'ensemble des eaux comprises dans la zone saturée de l'aquifère dont toutes les parties sont en continuité hydraulique. Nappe Captive + Couverture par couche imperméable + Alimentation localisée Puits artésien Nappe Libre + Pas de couverture imperméable + Alimentation par toute la surfcae Couche imperméable Nappe libres Couche imperméable Les deux principaux types de nappes

5 4 Hydrologie générale - Résumé Caractéristiques principales de l'aquifère La porosité efficace correspond au rapport du volume d'eau "mobile" à saturation, libérée sous l'effet de la gravité, au volume total du milieu qui la contient. Le coefficient d'emmagasinement est le rapport du volume d'eau libéré ou emmagasiné, par unité de surface de l'aquifère, à la variation de charge hydraulique correspondante. La conductivité hydraulique à saturation caractérise l'effet de résistance à l'écoulement dû aux forces de frottement. La transmissivité est le débit d'eau qui s'écoule d'un aquifère, par unité de largeur, sous l'effet d'une unité de gradient hydraulique. La diffusivité caractérise la vitesse de réaction d'un aquifère lors d'une perturbation. Caractéristiques principales des nappes et de leurs dynamiques La surface piézométrique d'une nappe libre est la surface supérieure de la zone saturée de l'aquifère. Sa mesure se fait ponctuellement à l'aide de piézomètres. La vitesse de l'eau à travers une section totale d'écoulement telle qu'on peut la calculer (loi de Darcy appliqué à un écoulement latéral) est une vitesse fictive. Le débit d'une nappe est le volume d'eau par unité de temps, traversant une section transversale d'aquifère sous l'effet d'un gradient hydraulique déterminé Il se décline selon différentes équations : Q= K s.i.a Q= K s.i.h. l Avec Q=T.i.l Q:débit d'une nappe souterraine [m 3 /s] ; K s : conductivité hydraulique à saturation [m/s] ; i : gradient de charge hydraulique [m/m] ; A : section de sol [m 2 ], A=H.l; H : épaisseur (ou puissance) de l'aquifère [m] ; l : largeur moyenne de la section d'écoulement [m] ; T : transmissivité [m 2 /s], T=K s.h. La réserve exploitable de la nappe est la différence de niveaux piézométriques entre deux états de la nappe (avant et après rabattement) multipliée par la surface et son coefficient d'emmagasinement. LES STOCKS D'EAU SOUS FORME SOLIDE La neige accumulée sur un bassin versant, mais aussi la glace et la neige pérennes (regroupées dans la notion de glacier chez les hydrologues) constituent des réserves potentiellement utilisables pour l'alimentation en eau d'une région et le remplissage de réservoirs. La couverture glaciaire Un glacier est défini comme une masse de glace à la surface du sol constituée de la recristallisation de la neige ou d'autres précipitations. Le bilan annuel d'un glacier permet de déterminer son stock en glace. Il peut être calculé selon les trois possibilités suivantes : bilan énergétique, bilan hydrologique, bilan géodésique. La couverture glaciaire comprend également toute glace recouvrant les lacs et les rivières. Cette glace forme parfois des embâcles suivit de débâcles brutales qui peuvent être à l'origine de divers problèmes (inondations, etc.).

6 Le stockage et ses variations 5 La couverture neigeuse ou le manteau neigeux L'épaisseur et l étendue du manteau neigeux : L'écoulement de l'eau à l'intérieur du massif de neige se fait parallèlement au terrain suivantleprincipedelaloide Darcy. - Photographie aérienne, terrestre et satellitaire (surface) - Sondages (mesure de l'épaisseur et de la densité de la neige) qui par la suite permettent de calculer l'équivalent en eau de la neige. Manteau neigeux Zone non saturée Zone saturée Percolation Croute de neige durcie Sol Ecoulement La fonte de la neige résulte d'un transfert de chaleur à la couverture neigeuse. C'est un problème compliqué car il dépend de la radiation solaire et des transferts de chaleur par convection et conduction et par évaporation et condensation. - Par analogie à la notion de teneur en eau et de capacité de rétention du sol, on définit une teneur en eau de la neige ainsi qu'une valeur limite de rétention ("absence de fonte") nommée capacité au champ de la neige. - Une méthode relativement simple pour estimer la fonte et celle de l'indice de température ou du degré-jour. Cette méthode relie le phénomène de fonte à la température de l'air.

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