1L2 BV Enligne [PDF]

Zitiervorschau

Valérie Borrell Estupina Cours d’Hydrologie Générale Module FLST403 L2 Montpellier 2011

Le bassin versant Définition Comportement hydrologique Caractéristiques Temps de concentration

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

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

BV Section exutoire

Cours d ’eau

BV = zone géographique (unique) drainée par un cours d’eau (et ses affluents) à son exutoire

Ligne de partage des eaux (condition de flux nul)

Aire BV : de qqs ha à qqs millions de km2 : BV Amazone : 6 300 000 km2 BV Roujan : 91 ha soit 0,91 km2

Le bassin versant Délimitation des frontiè frontières d’ 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…

1. Identification de l’exutoire 2. Reconnaissance du réseau hydrographique (principal au minimum) rattaché à l’exutoire 3. Évent. Repérage du réseau hydrographique des bassins alentours (surtout en zones plates) 4. Identification des points culminants sur la zone 5. Tracer du contour en bassin à 90° des lignes de niveau (ligne de crêtes) : On contourne l ’ensemble du tronçon amont, incluant tous ses tributaires. On revient au point de départ.

REM : • A partir d’une carte IGN (type BD TOPO 25m – 50m – 100m) • A partir d’un MNT (Modèle Numérique de Terrain source IGN ou satellites 10m – 20m – 50m – 75m …) • A partir de relevé de topo sur le terrain (manque de précision en zones urbaines, zones endoréiques réelles ou erronées, bassins de trop petites superficie, zones plates) REM : • La ligne de partage des eaux ne doit jamais croiser un cours d ’eau ! • Les lacs de tête peuvent appartenir à 2 BV • L ’exutoire est le point bas du BV • L ’exutoire est souvent un point de mesure • Des sous bassins peuvent être définis

Le bassin versant Délimitation des frontiè frontières d’ 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)

Points hauts, sommets

BV Section exutoire Cours d ’eau altitude

Ligne de partage des eaux

x1 x2

Ligne de crête entre les 2 sous bassins versants

x3

z2 x4 z1

Z2>Z1 Z1

x1

x2

x3

Position xi le long du plan fictif x4

Plan fictif perpendiculaire à la carte

Le bassin versant Limites de la notion de LIGNES DE PARTAGE DES EAUX identifié identifiées à partir des courbes de niveaux 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. 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.

Bv hydrogéologique ou réel Bv topo

formation perméable Substratum imperméable

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 *inclinaison des formations géologiques sédimentaires les eaux minérales)

Le bassin versant Limites de la notion de LIGNES DE PARTAGE DES EAUX identifié identifiées à partir des courbes de niveaux 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.

Bv hydrogéologique ou réel Bv topo

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.

Le bassin versant Bv topographique / hydrogéologique

Bassin du Lez – Source : Jourde,Lafare

Le bassin versant Limites de la notion de LIGNES DE PARTAGE DES EAUX identifié identifiées à partir des courbes de niveaux

Bv phréatique

Coupe de terrain

Bv topographique

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

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 anthropiques

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) 75 100 75 50

Vue en coupe Vue en plan

Valérie Borrell Estupina Cours d’Hydrologie Générale Module FLST403 L2 Montpellier 2010

Le bassin versant Définition Comportement hydrologique Caractéristiques Temps de concentration

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

Temps de ré réponse du BV = Temps écoulé entre le centre de gravité de l’averse et le débit de pointe

Représentations graphiques : • HYDROGRAMME DE CRUE : Q(t) • LIMNIGRAMME : H(t)

1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45

•HYETOGRAMME HYETOGRAMME : P(t)

Pluie (mm)

5 10

3000 ) Temps (heures

2500 2000

15 1500 20 25

1000

30

500

35

0

HYDROGRAMME Le rêve de l’hydrologue : déterminer Q connaissant P... ce sera l’objet de ce cours

Débit (m3/s)

0

Valérie Borrell Estupina Cours d’Hydrologie Générale Module FLST403 L2 Montpellier 2010

Le bassin versant Définition Comportement hydrologique Caractéristiques Temps de concentration

Intitulé Intitulé

Formule

Superficie du BV

= Aire (km²) circonscrite par la ligne de partage des eaux + SBV 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 *A0.70 Remenieras

Extrait du stage de Cipriani Thomas M2 GERE 20092010

Qi10=0.70*Sh0.85 Alpes internes Nord cemagref

Qi10=2.84*Sh0.69 Piémont Azuréen cemagref

Ou bien : Q(T) = constante (OdS, Pluie(T)) * A

Intitulé Intitulé

Formule

Allongement du bassin

M : allongement L : le plus long cheminement hydraulique A : superficie du bassin

L M= A

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. Indice de compacité compacité = A = surface du bassin versant (km2) Coefficient de P = périmètre du bassin versant (km) K G = 0.28 Gravelius 1914 (forme BV) KG=Périmètre du BV/ Périmètre du cercle de même surface KG#1

P A

KG>1

BV à forme + compacte Temps de parcours max + faible Et donc débit de pointe plus fort

Intitulé Intitulé

Formule

Courbe hypsomé hypsométrique

= 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 …)

Altitude Altitude max

Ai : aire du BV dont l’altitude est au moins zi

∑ A .z*(z +z

zi

i

Altitude moyenne =

Altitude médian e Altitude min (exut)

i

i

i+1)/2

i

A bv

Aire du BV Ai Abv (km²) 50% Ai/Abv 100 (%) Longueur du rectangle équivalent (rectangle de Gravelius; Roche Rectangle équivalent 1963) : L=?

P + P 2 − 16 A L= 4

A = Ll P = 2( L + l)

Entre le BV et le Rect équivalent on a : A= ; P= ; KG= ; => répartition hypsométrique =…

Le bassin versant - Caractéristiques Intitulé Intitulé

Formule

Pente Moyenne du BV I : la pente moyenne urbanisé L : le plus long cheminement hydraulique urbanisé (m/m) constitué de tronçons successifs de longueurs LK et de pente constante IK Indice de pente global

Coefficient ruissellement

I

∆Z= Altitude max – Altitude min (de la rivière) L: longueur du rectangle équivalent

  =    

L LK I K

Ig =

     

2

∆Z L

de Coefficient de ruissellement = Pour une crue, Volume des eaux qui

Très utilisé ! Mais attention !!

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. Coefficient d’écoulement rapide de crue = volume de l’écoulement rapide de crue / volume d’eau précipitée. C’est la part des eaux qui provoquent un gonflement de l’hydrogramme de crue. Caractérise les volumes transférés (influence des eaux sub-surfaciques et souterraines possibles – piston par exemple). Se détermine 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

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

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

Cultures

Couverture du bassin versant Pâturages

Bois, Forêts

0.20

0.15

0.10

0.40

0.35

0.30

0.50

0.45

0.40

Extrait du SCS

Autres données tabulées : Cr = f( pente, texture du sol, végétation) Mais le volume infiltré dépend aussi du contenu en eau initial du BV ...

Intitulé Intitulé

Formule

Ordre d’ d’un cours d’ d’eau : classification qui reflète la ramification d ’un réseau de drainage Classification topologique de Strahler (1957) 1

1 2

1

2 1

2

1

2

1

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 3

2 1

Rapport de confluence Nx= nombre de cours d’eau d’ordre x (dé du Nx+1 = nombre de cours d’eau d’ordre x+1 (développement réseau de drainage) 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

Nx Rc = N x +1 Rl =

l x +1 lx

Le bassin versant - Caractéristiques Intitulé Intitulé Densité Densité de (Horton)

Formule drainage L = la longueur totale de tous les cours d ’eau, Dd = exprimée en km/km² Abv = surface du bassin (en km²)

Sol perméable, couvert végétal, Peu de relief Peu de végétation, relief marqué

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

∑L Dd =

i

A bv

i

Intitulé Intitulé Indice de couverture forestiè forestière

Formule Indice de couverture forestiè forestière = Surface forêt / Aire du BV *100

= Caractérisation du comportement hydrologique d ’un BV à partir de son couvert végétal (ici la forêt) – – –

Taux d’ d’impermé imperméabilisation

Idem avec les surfaces imperméables –

Indice de surface d’eau libre = lac, cours d’ d’eau, canal… canal…

Interception d’une partie du volume des pluies Amortissement des crues de faibles et moyennes amplitudes Limitation de l’érosion

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’ 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 Lac Lé Léman Genève

Extrait de Musy

Le bassin versant - Caractéristiques

Géologie du sous-sol Source Neppel 2006

Sché Schéma simplifié simplifié de l’ l’influence du sol et du soussous-sol sur les écoulements : perméable

Sol

Sans tenir compte des - caractéristiques des pluies -conditions initiales d’humidité sur un BV -…

SousSous-sol perméable Nappe ou aquifè aquifère en liaison avec le réseau hydrographique : ⇒Crue lente & Risque de sè sècheresse + faible

imperméable - Ecoulement superficiel ⇒ crues rapides (risque inondation)

- Pas de ré réserve souterraine ⇒ en saison sè sèche : dé débit faible (risque sécheresse)

imperméable Augmentation de l'humidité l'humidité du sol jusqu'à jusqu'à saturation ⇒ comportement similaire au sol impermé imperméable

Valérie Borrell Estupina Cours d’Hydrologie Générale Module FLST403 L2 Montpellier 2010

Le bassin versant Définition Comportement hydrologique Caractéristiques Temps de concentration

Le bassin versant - Isochrones Temps de concentration

exutoire

Pluie constante et infinie

& 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 temps que la pluie constante incidente dure.

pluie

débit

Temps d’équilibre = Tc

Qp

Qn