- LES PROCESSUS HYDROLOGIQUES -

- LES PROCESSUS HYDROLOGIQUES - Cours Master 1 C. Legout Laboratoire d étude des Transferts en Hydrologie et en Environnement Université Joseph Fourier Cedric.Legout@hmg.inpg.fr Plan 1- L eau dans les sols : rappels 1.1- Représentation physique des sols 1.2- Forces caractéristiques 1.3- Grandeurs caractéristiques : θ et h 2- Le bassin versant 2.1- Définition 2.2- Caractéristiques géométriques 2.3- Le réseau hydrographique 2.4- Les caractéristiques agro-pédo-géologiques 2.5- Les conditions aux limites et initiales 3- Les processus hydrologiques 3.1- L évapotranspiration et l interception 3.2- Le ruissellement 3.3- La percolation de l eau 3.4- L écoulement de nappe 3.5- L exfiltration 3.6- L écoulement hypodermique 3.7- Décomposition des hydrogrammes de crue

Interception, Evapotranspiration Infiltration Ruissellement Percolation Surface de nappe Ecoulement hypodermique Exfiltration Ruissellement sur surface saturée Ecoulement de nappe Écoulement fluviatile 3-1 L évapotranspiration et l interception Précipitations Evaporation de la canopée Transpiration Figure: La Cote St André (LTHE) Drainage de la canopée Evaporation du sol Prélèvement racinaire Figure: BV Strengbach (doc. de l UFR de Géographie de l'université Louis Pasteur de Strasbourg)

3-1 L évapotranspiration et l interception Interception : f (couvert végétal, structure des pluies) Figure: Évolution du stockage sur la canopée pour deux structures de précipitations différentes. (a) cas d'une précipitation observée non uniforme, (b) cas d'une précipitation uniforme de même durée et de même volume total. (A. Musy, Evaporation et interception) Evaporation : quantité de chaleur à disposition + capacité de l air à stocker de l eau 3-1 L évapotranspiration et l interception Le rayonnement net se définit comme la quantité d énergie radiative disponible à la surface du sol et pouvant être transformée en d autres formes d énergie par les divers mécanismes physiques ou biologiques de la surface.» R N = (1-α) (R S + R A ) - R T T air et T eau H r P atm Vent Figure: Bac d évaporation Colorado (CEREG 1997)

3-1 L évapotranspiration et l interception Evapotranspiration: Evaporation par les stomates Transpiration: émission de vapeur d eau par les plantes ET 0 : Evapotranspiration de référence (gazon) ETM : stades de développement, eau non limitant ETR : conditions hydriques, physiologiques, réelles ETM = k c ET 0 Figure: Lysimètre de Louvain La Neuve (Belgique) Figure: Appareillage de mesure de l évapotranspiration (IRD Congo, photo P. Hubert) 3-1 L évapotranspiration et l interception Evapotranspiration: Ex: Formule de Turc: (pas de temps mensuel) Estimation empirique: ET 0 = 0,4( R G t + 50) t + 15 Formules à base physique: Ex: Formule de Penman: ET 0 R ρ c pδ e + r λ n a = ( + γ ) Rn: rayonnement net (W/m 2 ) : pente de la courbe de pression de vapeur à la température moyenne de l air (kpa/c ) ρ: densité de l air (kg/m 3 ) c p : capacité thermique de l air humide (J/kg/C ) δ e : différence entre pression de vapeur saturante et la pression de vapeur effective dans l air R a : résistance aérodynamique (s/m) (traduit le rôle des turbulences atmosphériques dans le processus d évaporation) λ: chaleur latente de vaporisation de l eau (J/kg) γ: constante psychrométrique (kpa/c ) Plus d infos : http://www.fao.org/docrep/x0490e/x0490e00.htm

a) par dépassement de la capacité d infiltration 3-2 Le ruissellement Infiltration: l infiltration est le passage de l eau de la surface du sol à l intérieur de celui-ci; elle se distingue de la percolation qui désigne l écoulement de l eau à l intérieur du sol. Capacité d infiltration d un sol (infiltrabilité): est définie comme le flux maximum que le sol est en mesure d absorber à travers sa surface. P P R R I I P<CI, pas de ruissellement, toute la pluie s infiltre P>CI, ruissellement 3-2 Le ruissellement Capacité d infiltration d un sol: type de sol (sable>limon>argileux) l humidité initiale du sol variable au cours de l averse P I R I P R Capacité d infiltration [L/T] Infiltration cumulée [L] i o Figure: Evolution de la capacité d infiltration d un sol au cours d une averse (Musy et Soutter, 1991, Physique du sol). Ks temps Cas particuliers des sols hydrophobes

3-2 Le ruissellement Ordres de grandeurs de la capacité d infiltration: Forte variabilité spatiale du risque ruissellement : f (capacité infiltration, intensité pluie) Ex : Bretagne Normandie Languedoc surfaces imperméabilisées (routes, parkings, etc ), compactage (engins agricoles, forestiers), développement de croûte de battance, 3-2 Le ruissellement Dégradation des propriétés de la surface sous l action des pluies : Schéma et photos S. Leguédois Réorganisation des particules et fermeture progressive de la surface du sol

Développement d une croûte de battance à la surface du sol Croûte structurale (quelques fragments distincts) 3-2 Le ruissellement Croûte sédimentaire (lissage de la surface) Phase 0 Etat initial fragmentaire poreux et meuble CI 30 à 60 mm h -1 Phase 1 Fermeture de la surface par effet splash CI 2 à 6 mm h -1 Phase 2 Sédimentation dans les flaques CI 1 mm h -1 3-2 Le ruissellement Facteurs de l initiation du ruissellement : Texture, structure, stabilité structurale du sol Couvert végétal : rôle protecteur Travail du sol, rugosité Topographie Une fois initié le ruissellement peut se ré-infiltrer (important à l échelle du bassin versant)

b) sur surfaces saturées 3-2 Le ruissellement se produit sur les sols dont le profil est saturé, les pluies tombant sur ces surfaces ne peuvent pas s infiltrer et ruissellent vers la rivière Contexte: Bassin versant sur socle : présence d une nappe qui se développe dans les couches altérées du socle et dans le sol, nappe connectée au réseau de fissure et de fracture du socle rivière Affleurement de nappe R = P nappe Sol Alérite Socle Figure: Bassin versant de Naizin (56) - J. Molenat - UMR SAS - 3-2 Le ruissellement Zone d affleurement de nappe Figure: Bassin versant de Pleine Fougères(35) - UMR SAS - Figure: Bassin versant de Naizin (56) - UMR SAS -

Extension des surfaces saturées et relation avec le débit de crue: 3-2 Le ruissellement Concept de «VSA» Figure: Exemple de variation d extension des surfaces saturées contributives et du réseau de drainage au cours dd une crue (Ambroise, 2000 d après Chorley, 1978). L extension des surfaces saturées dépend : 3-2 Le ruissellement de la profondeur moyenne de la nappe de la forme du versant 20 altitude / rivière (m) 15 10 5 0 PJ1 (a) Kerolland PJ2 PJ3 PJ4 max min Figure: Bassin versant de Kervidy-Naizin (56). D après Molénat et al. (2003) -UMR SAS- altitude / rivière (m) -5 30 20 10 0 0 50 100 150 200 250 (b) Fournello PI3 PI2 max PI1 min PI4 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Distance à la rivière (m)

Indice topographique ou de saturation : 3-2 Le ruissellement TOPMODEL (Beven & Kirkby, 1979) i = ln (a/ T tan β) Le potentiel de saturation augmente avec i : a et β quantité d eau drainée et évacuation difficile. Figure: Bassin versant de la Seine. D après Curie et al. (2003) -UMR Sisyphe- Rétention d azote par les zones humides riveraines. En résumé: 3-2 Le ruissellement Figure: Les deux types de ruissellement D après Mérot (1994) - UMR SAS- Vitesse de ruissellement 1 m/min

3-3 La percolation Ecoulement (sub)vertical descendant sauf dans le cas de différences de perméabilité des horizons selon le type de sol, les conditions hydriques initiales et l intensité de la pluie, écoulement matriciel et/ou macroporal (réseau de racines décomposées, galeries d animaux -ver de terre-, fente de dessication) Figure: Evolution du profil hydrique au cours de l'infiltration (tiré de Musy et Soutter 1991). Figure: Bloc diagramme d un sol avec écoulement dans les macropores (D après Beven et Germann, 1981) L écoulement matriciel dépend de la structure et de la texture du sol Vitesses lentes: 1-5 m/an (c) 3-3 La percolation (a) (b) Figure: Expérimentation de traçage de l eau de percolation par du deutérium sur une parcelle en prairie du BV de Kerbernez (a). Prélèvement d eau par bougie poreuse (b). Le deutérium apporté le 16 décembre est à -50 cm le 27 février suivant (c). D après Legout (2003) - UMR SAS -

3-3 La percolation Les écoulements macroporaux transportent rapidement l eau en profondeur 1m/h Rainfall (mm) Depth below soil surface (m) 6 4 2 0 2 3 4 5 6 7 8 9 1,0 Water table Surface sampling depth Deep sampling depth 0,9 Figure: Transfert rapide de bromure depuis la surface du sol jusqu à la surface de la nappe D après Legout (2003)-UMR SAS- Br - (mg L -1 ) 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 Br - surface Br - deep 0,2 0,1 0,0 820 840 860 880 900 920 940 960 980 Days since 01/09/2001 Modèles de percolation : 3-3 La percolation empirique (ex Horton) i( t) = i f + 0 k t ( i i ) e f i 0 : capacité d'infiltration initiale (cm/s) i f : capacité d'infiltration finale (cm/s) k : constante fonction de la nature du sol (min -1) à base physique Philip 1 1 i ( t) = s t 2 + A 2 s : sorptivité (cm.s -0,5 ) A : composante gravitaire fonction de la conductivité hydraulique à saturation (cm/s) Green & Ampt i( t) = K s h0 h f 1+ z f ( t) K s : conductivité hydraulique à saturation (mm/h) h 0 : charge de pression en surface (mm) h f : charge de pression au front d'humidification (mm) z f: profondeur atteinte par le front d'humidification (mm)

Modèles d écoulement : 3-3 La percolation saturé : loi de Darcy q = K gradh s q: flux volumique d eau [L/T] Ks: conductivité hydraulique à saturation [L/T], Η: charge hydraulique [L] Non saturé : extension de la loi de Darcy ( θ ) gradh = K( θ ) grad( h(θ z) q = K ) + 3-3 La percolation Equation de Richards (1 dimension) q = K ( ) ( h(θ ) + z θ ) z θ q = + Γ t z Loi d écoulement + Conservation de masse θ = K t z h( θ ) z ( θ ) + 1 + Γ Equation générale du mouvement

3-3 La percolation Equation en «θ» (1 dimension) θ = D t z ( θ ) θ z + K z ( θ ) + Γ dh ( θ ) K( θ ) d θ D = avec la diffusivité capillaire L 2.T -1 Equation en «h» (1 dimension) h c( h) t h = K( h) + 1 + Γ z z dθ c( h) = dh avec la capacité capillaire L -1 3-3 La percolation Résolution de l équation de Richards θ = K t z h( θ ) z ( θ ) + 1 + Γ Les inconnus h(z,t) ou θ (z,t) quelques soient z et t dans le sol à partir d un état hydrique connu Conditions initiales: profil d humidité ou de potentiel Conditions aux limites: pluie, ET, absorption racinaire, nappe flux, charge, gradient imposé Relations empiriques pour représenter courbe de conductivité et la courbe de rétention Gardner Anonymous Brooks & Corsey Van Genuchten θ θ r Avec S e = θ θ s r K (h) θ (h) a b + ( h) K ah s. e m b h a 3+2 / K ( ) s S e λ h θ + ( θ θ ) b s r h h hb pour θ pour h h 2 () 1/ 2 1 1 1/ m S S m s e e 1 K ( ) r s r n ( h) θ + θ θ 1 + α s b λ m

Infiltrométrie Perméamètre de Guelph Infiltromètre sous pression 3-3 La percolation Infiltromètre sous tension 3-3 La percolation Ecoulement préférentiel : macropral Equation de Poiseuille Equations de Navier-Stokes: nécessite une description de la géométrie et de la distribution des macropores. Onde cinématique: J = b θ a v avec J = densité de flux d'eau, b = conductance, a = Cst Selon le type de modèle, une description de la géométrie et distribution des macropores est requise ou non.

3-3 La percolation Ecoulement préférentiel : en doigt Facteurs d instabilité du front d'infiltration sol homogène : q < Ks 1 sol stratifié : Ks 2 > Ks 1 sol hydrophobe q Limon (Ks 1 ) Sable (Ks 2 ) D 3-3 La percolation Ecoulement préférentiel : en entonnoir Facteurs d instabilité du front d'infiltration interfaces inclinés différences texturales Sable grossier Sable fin Sable fin

3-4 L écoulement de nappe Aquifère: milieu poreux (couche, massif) totalement saturé en eau =contenant+contenu Nappe: ensemble du volume d eau compris dans la partie saturée d un aquifère 2 types de porosités: porosité interstitielle (grains, sols, altérite) porosité de fissure et de fracture (granite, schiste) 2 types de nappe: nappe libre nappe captive 3-4 L écoulement de nappe Figure: Schéma d une nappe libre D après De Marsilly (1986), Hydrogéologie quantitative Figure: Schéma d une nappe captive D après Champoux et Toutant, 1988

3-4 L écoulement de nappe Contribution de la nappe aux débits de rivière: Nappe sur socle: Crue : ruissellement (10-20 %) + nappe (90-70%) Tarissement: nappe (100%) ------------------------------------------------------------- sur une année, 90-95% de l eau de la rivière proviennent de la nappe Figure: Débits journaliers, bassin versant de Kervidy- Naizin, année 98/99 (jour 1 = 01/09/98) -UMR SAScrue tarissement 3-4 L écoulement de nappe Vitesses d écoulement dans les nappes des bassins versants sur socle: forte variabilité pas de méthode de mesure directe des vitesses dans ce type de nappe, méthode indirecte: modèle d écoulement en nappe (MODFLOW, TNT), très forte incertitude sur les estimations faites à ce jour, estimations faites sur certains sites: pas de clés d extrapolation.

3-4 L écoulement de nappe Temps de transfert dans la nappe du bassin versant de Kervidy-Naizin (56): rivière crête 35 j 580 j 1100 j Temps de transfert (j) 1200 900 600 300 0 < 1 an 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 distance à la rivière / longueur de versant forte variabilité des temps de transfert 3-5 L exfiltration Il y a exfiltration quand les flux d eau dans le sol sont supérieures au flux maximal que le sol peut transférer transmissivité (Ks.e) pente topographique

3-6 L écoulement hypodermique Horizons moins perméable: argileux, semelle de labour Figure: Coupe pédologique d un versant (d après Walter et Curmi, 1998) 3-7 Décomposition d un hydrogramme de crue Figure: Hyétogramme et hydrogramme résultant d un événement pluie-débit (A. Musy, La réponse hydrologique)

3-7 Décomposition d un hydrogramme de crue Exemple 1: BV de Roujan (34) 0.91 km², climat méditérannéen sec Figure: Répartition spatiale des différentes cultures sur le BV de Roujan. D après Ribolzi et al., 1996 -UMR LISAH, INRA Montpellier- 3-7 Décomposition d un hydrogramme de crue Quelles sont les parts du débit de crue provenant respectivement de la nappe et du ruissellement? Concentration en chlorure: dans la nappe [Cnap]=2.57+/-0.05 mmol/l dans le ruissellement [Cruis]=0,4 +/-0.03 mmol/l dans la rivière [Criv]: varie au cours de la crue en fonction de la contribution de la nappe et du ruissellement Nappe, Cnap α=qnappe/qriv rivière, Criv Ruissellement, Crui β=qruis/qriv α+β=1 α Cnap+β Cruis=Criv

3-7 Décomposition d un hydrogramme de crue Crue du 14 avril 1994: ==> 80 à 90% proviennent du ruissellement Figures: Décomposition de l hydrogramme de la crue du 14 avril 1994 sur le bassin versant de Roujan. D après Ribolzi et al (1996) -UMR LISAH, INRA Montpelliernappe 3-7 Décomposition d un hydrogramme de crue Exemple 2: BV de Nouvoitou (35) 0.10 km², climat humide, schiste Élément étudié: 18 O dans pluie, nappe et débit crue hivernale, février 1979 Débit provenant de la nappe ==> 80-90% proviennent de la nappe Figure: D après Mérot et al., 1981 -UMR SAS-

Synthèse Evapo-transpiration Pluie Evapo-transpiration Eléments associés à l eau: Infiltration Percolation Ruissellement Pluie Pluie Exfiltration infiltration/percolation/nappe éléments solubles: - anions: nitrate, chlorure - certains phytos Ruissellement Ecoulement de nappe rivière ruissellement éléments peu solubles: - particules organiques & minérales -phytos - ETM -phosphore