LES PROCESSUS HYDROLOGIQUES

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1 Résumé - CHAPITRE 10 LES PROCESSUS HYDROLOGIQUES Table des matières Introduction 1 Les précipitations directes à la surface libre du cours d'eau 2 Les écoulements de surface 2 Les écoulements de subsurface 2 Ecoulement souterrain 3 Processus généraux 3 Introduction à l utilisation des traceurs isotopiques 3

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3 Les processus hydrologiques- Résumé 1 INTRODUCTION L'objectif de ce chapitre est de présenter les aspects à la fois généraux et modernes des théories relatives aux mécanismes de génération de l'écoulement depuis les idées de Horton (1933) - novatrices à l'époque -, jusqu'à celles de ce jour, basées sur des cheminements préférentiels. La figure suivante schématise les différents processus de génération de l écoulement que l on détaille ensuite point par point. Écoulement par dépassement de l'infiltrabilité Ra Écoulement par saturation du sol Précipitation directe sur le réseau Ecoulement hypodermique : en non saturé en saturé Infiltration Exfiltration Macropores Recharge Drainage Contributions à l'écoulement superficiel Contributions à l'écoulement souterrain Contributions àl'écoulementdecrue Cheminement possible de l eau sur un versant (D après Ambroise, 1998) On considère quatre cheminements principaux de l'eau à la rivière : (1) Précipitations directes à la surface libre du cours d'eau ("direct precipitation") (2) Ecoulement de surface ("Overland flow") ou ruissellement de surface. (3) Ecoulement de subsurface ("Subsurface flow", "Throughflow", "interflow"). (4) Ecoulement souterrain ("Groundwater flow"). L'écoulement de surface se divise en : Ecoulement par dépassement de la capacité d'infiltration ou ruissellement hortonien ("Excess infiltration overland flow", "Horton overland flow") Ecoulement par saturation ("Excess saturation overland flow") L'écoulement de subsurface se divise en : - Ecoulement dû à l effet piston ("Translatory flow"). - Ecoulement par macropores ("Macropores flow"). Ecoulement en raison de l intumescence ("Groundwater ridging"). Ecoulement de retour ("Return flow").

4 2 Hydrologie générale LES PRECIPITATIONS DIRECTES A LA SURFACE LIBRE DU COURS D'EAU Ce type de processus est souvent marginal car la surface occupée par les cours d'eau de type pérenne ne représente qu'une très faible fraction de la surface totale du versant. Dans le cas où le bassin versant développe un réseau hydrologique important suite à des précipitations de longues durées ou si ce dernier présente d'importantes zones lacustres ou marécageuses, l'importance des précipitations directes croît. Les précipitations directes peuvent aussi être considérées comme des précipitation sur des surfaces saturées. LES ECOULEMENTS DE SURFACE Ecoulement par dépassement de la capacité d infiltration L'écoulement par excès d infiltration apparaît lorsque l intensité de la pluie dépasse la capacité maximale du sol à absorber l eau. Cette capacité, caractérisée par la capacité d infiltration du sol, est supposée décroissante dans le temps jusqu à une valeur constante. Dans un sol homogène avec une nappe profonde, cette capacité finale d infiltration peut atteindre la conductivité hydraulique à saturation. Ecoulement sur surfaces saturées L'écoulement sur surfaces saturées se produit lorsque la capacité du sol à stocker l'eau est épuisée et lorsque la capacité à transmettre latéralement le flux d eau est dépassée. Par conséquent, la quantité d eau supérieure à la capacité du sol au stockage et à la transmission latérale par écoulement de subsurface ne pourra pas s infiltrer et va s'écouler totalement en surface. Cette définition implique que l'écoulement par saturation est produit seulement par les précipitations. Toutefois, les précipitations sur les surfaces saturées représentent seulement une des composantes de cet écoulement, l autre étant l écoulement de retour. LES ECOULEMENTS DE SUBSURFACE La condition essentielle pour voir apparaître des écoulements de subsurface est que la conductivité hydraulique latérale du milieu doit être nettement supérieure à la conductivité hydraulique verticale. Dans ce cas l eau, s écoule latéralement en zone non-saturée, par un mécanisme type «toit de chaume», ou, dans le cas d un écoulement en zone saturée, lorsqu'une nappe perchée se forme dans la partie supérieure d un horizon peu perméable On distingue parmi les écoulements de subsurface : Ecoulement dû à l effet piston Le mécanisme nommé "effet piston" suppose qu'une impulsion d'eau reçue par le versant est transmise à l'aide d'une onde de pression vers l'aval, provoquant une exfiltration immédiate en bas de versant. Le principe de ce phénomène peut s'expliquer par analogie avec une colonne de sol saturée sur laquelle on applique une charge d'eau. L'eau se déplace sous l'effet de la gravité en chassant celle qui se trouve à l'autre extrémité de la colonne. Ecoulement par macropores Un macropore est un pore où les phénomènes de capillarité sont inexistants et peut avoir pour origine la faune du sol, la végétation ou la fissuration du sol. Il existe bien entendu aussi des macropores dits naturels. La présence de macropores connectés avec la surface du sol peut jouer un rôle important dans le processus d'infiltration car le comportement hydraulique met alors en défaut la loi de Darcy.

5 Les processus hydrologiques- Résumé 3 ECOULEMENT SOUTERRAIN L'eau souterraine joue un rôle aussi important dans la génération des écoulements et notamment dans la composante "débit de base" de l'hydrogramme. Processus généraux L écoulement souterrain en milieu saturé : Le processus d'écoulement : Une partie de l'eau qui rejoint la nappe après percolation, va transiter à travers l'aquifère avec une vitesse de quelques mètres par jour à quelques millimètres par an avant de rejoindre le cours d'eau souvent par le biais d'un phénomène de résurgence. L'écoulement de base assure ainsi le débit des rivières en l'absence de précipitations et soutient les débits d'étiage. Recharge Drainage Ecoulement souterrain en milieu saturé. Précipitation Infiltration Intumescence de nappe Recharge Drainage Ecoulement par intumescence Le processus d'écoulement par intumescence : La nappe d'eau en équilibre avec un cours d'eau réagit rapidement lors des pluies dans les zones où elle est peu profonde (quelques mètre de part et d'autres d'un cours d'eau). Ce processus à lui seul peut conduire à un doublement ou un triplement temporaire du débit de base d'un cours d'eau mais guère plus. Les écoulements de retour : Si la nappe ou la frange capillaire est proche de la surface du sol, une petite quantité d'eau suffit à saturer le profil. De suite, si la capacité du sol à transmettre l'écoulement de subsurface diminue, ce dernier revient en surface et ruisselle. Précipitation Infiltration Ecoulement de subsurface Ecoulement de retour Ecoulement de surface alimenté par la nappe Ecoulement de retour Introduction à l utilisation des traceurs isotopiques Le traçage environnemental permet d'effectuer une analyse des processus hydrologiques en recourant soit à des traceurs isotopiques (Oxygène 18, Deutérium) soit à d'autres traceurs de type chimique notamment, tel le Calcium ou la Silice. Ces méthodes constituent une approche opérationnelle capable de mettre en évidence les processus dominants de la génération de l'écoulement sur un bassin versant. Les méthodes de traçages isotopiques se basent principalement, sur le fait que la composition isotopique de l'eau contenue dans les sols est différente de celle de l'eau de pluie et de celle de l'eau des rivières.

6 4 Hydrologie générale On considère alors que : l'eau contenue dans les sols est de l'eau "ancienne" ou pré-existante. tandis que l'eau de pluie est dénommée eau "nouvelle". Non saturé Saturé Précipitations Eau pré-existante Eau nouvelle Les teneurs en isotopes de la pluie (δ n ), de l'eau du sol (δ a ) et de l'eau de la rivière (δ )étant connues (par un échantillonnage répété), il est alors possible de déterminer les contributions d'eau ancienne et d'eau nouvelle d'un débit mesuré Q à l'aide d'un système de deux équations à deux inconnues : Q a Il s agit de résoudre le système à deux inconnues Q a et Q n : Q= Qa + Qn δ Q = δ Q + δ Q a a n n On obtient comme solutions : δ δn = Q δ δ a n et Q = Q Q n a Q : débit total du cours d'eau, Q a : débit d'eau ancienne, Q n : débit d'eau nouvelle, δ : concentration du cours d'eau, δ a : concentration sources d'eau ancienne, δ n : concentration sources d'eau nouvelle. Cette méthode permet de décomposer l hydrogramme de crue comme le montre l exemple de la figure suivante : Débit (l/s) Précipitations directes Subsurface (non saturé) Nappe profonde (saturé) P(mm/h) Exemple de décomposition d un hydrogramme de crue par des méthodes de traçage environnemental (Oxygene 18)) (Bassin de Bois-Vuacoz)