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RESUME Ce manuel est dédié aux élèves ingénieurs de GC2, filière Génie civil. C’est un contenu d’un élément de

MANUEL D’HYDROLOGIE GENERALE Par. Professeur Ahmed Zian

module intitulé « hydrologie » qui est un module scientifique et technique de base de la filière. Année universitaire : 2018 - 2019

ELEMENTS D’HYDROLOGIE GENERALE (Module C13, matière 1) Par : Pr. Zian Ahmed Professeur à L’école Nationale Des Sciences Appliquées d’Al-Hoceima Année universitaire : 2018 - 2019

1

Table des matières A.

CHAPITRE 1 : INTRODUCTION

7

Généralités : 1.

Cycle de l’eau.

8

2.

Bilan Hydrologique :

9

a.

Définition

b.

Equation du bilan.

B.

C.

7

9 10

CHAPITRE 2 : CLIMATOLOGIE

11

Définition.

11

Caractéristiques et subdivisions des zones climatiques dans le monde.

11

1.

Caractéristiques des zones climatiques de la terre.

11

2.

Les différents types de climats.

12

L’atmosphère.

12

1.

Constitution de l’atmosphère.

13

2.

Composition de l’atmosphère.

13

3.

Subdivision de l’atmosphère. (Fig 1)

14

4.

Pression et température dans l’atmosphère.

14

5.

Les masses d’air.

15

a.

Les fronts.

15

b.

Les cyclones.

16

c.

Les courants créés par convection.

16

d.

Les courant de reliefs. (fig 6).

16

e.

Les courants de turbulence. (fig 7)

17

f.

Les nuages. (Fig 8)

17

Indice climatiques.

18

1.

Indice climatique d’Emberger.

18

2.

lndice d'aridité :

19

3.

Indice ombrothermique

20

CHAPITRE 3 - LES PRECIPITATIONS Introduction.

20 20

2

Déclenchement des précipitations.

21

1.

Processus de précipitations.

21

2.

Types de précipitations.

21

a.

Précipitations convectives.

21

b.

Précipitations orographiques.

22

c.

Précipitations frontales.

22

Mesure des précipitations.

23

1.

Quantités à mesurer.

23

2.

Instruments de mesures.

23

a.

Le pluviomètre.

23

b.

Pluviographe. Ex. Pluviographes à augets basculeurs.

23

3.

Résultats pluviométriques

24

4.

Calcul des précipitations moyennes sur un bassin.

25

a.

Méthode de Thiessen. (Fig.8)

25

b.

Méthode des isohyètes.

25

5.

Présentation des données pluviométriques.

26

a.

Précipitations moyennes mensuelles.

26

b.

Précipitations moyennes annuelles.

26

D.

CHAPITRE 4. EVAPORATION, TRANSPIRATION, DEFICIT

D’ECOULEMENT

27

Introduction

27

Mesure et évaluation du pouvoir évaporant de l’atmosphère.

27

1.

Instruments utilisés.

28

a.

Mesures de l'évaporation à partir d'une surface libre.

28

b.

Mesure de l'évaporation à partir de surfaces poreuses : les atmomètres.

29

Mesures et estimation de l'évapotranspiration et déficit d’écoulement

30

1.

Notion d'évapotranspiration réelle et potentielle

30

2.

Mesures directes.

30

3.

Estimation de l'évapotranspiration potentielle.

31

a.

Formule de Thornthwaite.

31

b.

Formule de Turc.

32

c.

Estimation de l'E.T.P. par la méthode de Penman.

33

4.

Estimation de l’évapotranspiration réelle.

33

a.

Formule de Turc.

33

b.

Méthode simplifiée de Thornthwaite:

34

3

5.

Déficit d’écoulement.

35

a.

Formule de coutagne.

35

b.

Formule de Turc.

36

E.

CHAPITRE 5 - INFILTRATION

36

Définitions.

36

Capacité d’infiltration d’un sol.

36

1.

Mesure directe de l’infiltration

37

2.

La méthode de Porchet

37

Caractéristiques de l’infiltration.

37

Indices d’infiltration.

37

1. a.

Indice Ф (taux de recharge d’un bassin versant)

38

b.

Indice W.

38

2.

Indice de saturation

38

3.

Capacité d’absorption.

39

F. CHAPITRE 6 - CARACTÉRISTIQUES D’UN BASSIN VERSANT INTRODUCTION.

40

Caractéristique morphométrique d’un bassin versant.

41

1.

Caractéristiques de forme.

41

a.

Indice de compacité.

41

b.

Courbe hypsométrique.

41

c.

Rectangle équivalent.

42

2.

Pente moyenne et indice de pente.

43

a.

La pente moyenne

43

b.

Indice de pente.

44

3.

G.

40

Réseau hydrographique :

45

a.

Densité de drainage.

45

b.

Classification du réseau hydrographique selon le système de Strahler.

45

c.

Profil en long.

46

CHAPITRE 7- MESURES DES DÉBITS

47

Introduction

47

Acquisition des débits en fonction du temps.

47

4

1.

Mesure des débits en fonction de la hauteur (courbe de tarage Q = f ( h ) )

47

a.

Jaugeage au moulinet.

47

b.

Jaugeages aux flotteurs. ( Fig 2)

48

c.

Jaugeage chimique.

49

d.

Déversoirs.

49

2.

Différents cas d’écoulement.

50

a.

Cas d’un écoulement uniforme (permanent)

50

b.

Cas d’un écoulement non uniforme (permanent). (Fig. 3)

50

c.

Cas d’un écoulement non permanent. (fig.4)

50

3.

Mesure des hauteurs en fonction du temps H = g ( t ). « Limnimétrie »

51

a.

Echelle limnimètrique.

51

b.

Le limnigraphe. (Fig.6)

51

H.

CHAPITRE 8 – ETUDE DES DEBITS. Présentation des données statistiques.

52 52

1.

Débits moyens journaliers.

52

2.

Débits moyens mensuels.

52

3.

Débit moyen interannuel ou module interannuel.

53

4.

Courbe des débits classés.

53

5.

Débits caractéristiques.

53

6.

Débit spécifique, hauteur de la lame d’eau écoulée, coefficients de débits relatifs mensuels. 53 a.

Débits spécifiques

54

b.

Hauteur de la lame d’eau écoulée (indice d’écoulement).

54

c.

Coefficients mensuels de débit ou débits relatifs mensuels.

54

Les divers régimes de débit.

I.

54

CHAPITRE 9. ANALYSE DE L’HYDROGRAMME Introduction.

54

Répartition des eaux apportées par une averse.

55

1.

2.

54

Détail de l’hydrogramme.

55

a.

Courbe de décrue de l’hydrogramme globale.

55

b.

Autres définitions.

55

Bilan hydrologique d’une averse.

56

Méthodes séparant différentes composantes de l’hydrogramme.

56

1.

Méthodes simplifiées. (Fig3)

56

2.

Méthode de l’hydrogramme unitaire.

57

5

J.

CHAPITRE 10- ETUDE DES CRUES ET PREDETERMINATION DE LEUR

DEBIT MAXIMUM PROBABLE

57

Introduction.

57

Prédétermination du débit maximum de crue.

59

1.

Méthode basée sur les grandes crues historiques.

59

2.

Formules empiriques utilisant les caractéristiques du bassin versant.

59

3.

a.

Formules utilisant l’aire du bassin versant.

59

b.

Formules faisant intervenir le régime pluviométrique et la superficie

59

c.

Formules faisant intervenir la fréquence des crues.

60

Méthodes statistiques basées sur l’analyse de la fréquence des crues.

6

61

A.CHAPITRE 1 : INTRODUCTION Généralités : 1. Définitions. Le mot hydrologie dérive des mots grecs hydor signifiant l’eau et logos signifiant science. Elle s’occupe donc de l’étude de l’eau et son interaction avec les différents constituants du globe terrestre à savoir, -

Son occurrence,

-

Sa distribution et sa circulation,

-

Ses propriétés physico-chimiques,

-

Ses effets sur l’environnement et sur la vie sous toutes ses formes.

Cette diversité des études en hydrologie exige une diversité des branches qui constituent la science de l’hydrologie, on trouvera donc : -

La météorologie et L’hydrométéorologie (étude de l’eau atmosphérique),

L’océanographie, -

L’hydrographie : Etude des eaux de surface qui elle-même est subdivisée en :

-

Potamologie : Etude de l’écoulement dans les fleuves et rivières, et Limnologie : Etude des lacs et des réservoirs,

-

L’hydrogéologie : Etudes des eaux souterraines, …

2. Intérêts des études hydrologiques Les domaines d'application de l'hydrologie de surface sont également très variés. Parmi les plus importants et les plus classiques, on notera : · l'agriculture : irrigation, drainage ; · l'étude des ressources en eaux : eau potable, eau pour l'industrie ; · la lutte contre la pollution : étude des débits d'étiage évacuant les effluents, les calories ; · l'énergie hydraulique ; · le transport solide (dépôt ou érosion) ; · la navigation ; · les loisirs (plans d'eau) ; · la sécurité des biens et des personnes : protection contre les crues… 3. Quelques statistiques des ressources en eaux. La quantité d’eau existant sur le globe terrestre est estimé à 1.304.068.550.109m3. Elle est subdivisée selon le tableau ci-dessous : 7

% volume d’eau des océans 97% du volume total

% volume d’eau douce 3% du volume total - Rivières = 0,03% - Atmosphère = 0,035% - Lacs = 0,30% - Humidité des sols = 0,06% - Glaces et glaciers = 75% - Eaux souterraines = 10% < 700m - Eaux souterraines = 13-14% > 700m On remarquera que le pourcentage des eaux douces sont très faibles par rapport aux eaux des océans ce qui nécessite une bonne gestion des ressources en eaux utilisées par l’homme. Sur le plan nationale, Le territoire marocain reçoit en moyenne 150 milliards m3 de précipitations réparties dans différents bassins du Maroc, Le tableau ci-dessous résume la répartition des ressources en eau Unité hydraulique

Apport en

% des ressources millions dem3 en eau Bassins du Nord du Maroc (Tangérois, Loukkos et Côtiers 4 319 22.45 Méditerranéen) Bassin du Sebou

5 600

29.11

Bassins du Bou RegReg et côtiers atlantiques

830

4.3

Bassin de l'Oum Errabia

3 680

19.13

Bassin du Tensift

1 110

5.77

Bassins du Souss Massa

696

3.6

Bassin de la Moulouya

1 650

8.5

Bassins Saharien

1 346

7

Total

19 231

Cycle et Bilan hydrologique

L’eau circule entre l’écorce terrestre et l’atmosphère. L’évaporation qui s’effectue audessus des océans grâce à l’énergie solaire, conduit à la formation des nuages. Ces nuages poussés par les vents, se transforment, en pluie ou en neige, donnant lieu aux précipitations atmosphériques (fig 2). Ces dernières se transforment, une fois arrivées au sol, selon son devenir en écoulement ou en évapotranspiration ou en infiltration. 8

Le bilan hydrologique est établi pour un lieu et une période donnée par comparaison entre les apports et les pertes en eau dans ce lieu et pour cette période. Il tient aussi compte de la constitution de réserves et des prélèvements ultérieurs sur ces réserves. Les apports d’eau sont effectués par les précipitations. Les pertes sont essentiellement dues à la combinaison de l’évaporation et la transpiration des plantes, que l’on désigne sous le terme d’évapotranspiration. Les deux grandeurs sont évaluées en quantité d’eau par unité de surface, mais elles sont généralement traduites en hauteurs d’eau, l’unité la plus utilisées étant le millimètre. Ces deux grandeurs étant ainsi physiquement homogènes, on peut les comparer en calculant soit leur différence (Précipitations moins évaporation), soit leur rapport (précipitations sur évaporation.).

L’écoulement à partir d’une unité de surface sera compté dans les pertes. L’infiltration est considérée comme une mise en réserve sous forme de nappes souterraines ou d’eau capillaire dans le sol. Les précipitations solides constituent des réserves immédiatement constituées. Elles ont une durée variable, inter-saisonnière dans le cas des tapis neigeux, inter-saisonnière et inter- annuelle dans le cas des glaciers, voire inter-séculaire dans le cas de calottes polaires ou des grandes masses de très hautes montagnes. 9

On exprime généralement les termes du bilan hydrique en hauteur d'eau (mm par exemple), on parle alors de lame d'eau (précipitée, écoulée, évaporée, stockée, etc.). L'estimation des quantités d'eau passant par chacune des étapes du cycle hydrologique peut se faire à l'aide d'une équation appelée "hydrologique" qui est le bilan des quantités d'eau entrant et sortant d'un système défini dans l'espace et dans le temps. Cette équation exprime simplement que la différence entre le débit d'eau entrant et le débit d'eau sortant d'un volume donné (par exemple un bassin versant) au cours d'une période déterminée est égale à la variation du volume d'eau emmagasinée au cours de la dite période. L'équation du bilan hydrique se fonde sur l'équation de continuité et peut s'exprimer comme suit, pour une période et un bassin donnés : P + S = R + E + (S ± ΔS) Avec : P : précipitations (liquide et solide) [mm], S : ressources (accumulation) de la période précédente (eaux souterraines, humidité du sol, neige, glace) [mm], R : ruissellement de surface et écoulements souterrains [mm], E : évaporation (y compris évapotranspiration) [mm], S ± ΔS : ressources accumulées à la fin de la période [mm]. Cette formule peut s'écrire encore sous la forme simplifiée suivante : E = I – O ± ΔS Avec : E : évaporation [mm] ou [m3], I : volume entrant [mm] ou [m3], O : volume sortant [mm] ou [m3], ΔS : variation de stockage [mm] ou [m3].

10

B. CHAPITRE 2 : CLIMATOLOGIE Définition. La climatologie est la branche de la géographie physique, qui étudie les climats de la terre c'est-à-dire la succession des conditions météorologiques ou des états de l’atmosphère d’un lieu donné sur de longues périodes. La climatologie a essentiellement pour but : ➢ L’analyse des éléments météorologiques qui constituent le climat, ➢ La recherche des causes qui expliquent les différents climats et les fluctuations qui les accompagnent, ➢ L’étude de l’interaction du climat et des sols, des matériaux, des êtres vivants, des techniques et de l’activité économique et même sociale. Caractéristiques et subdivisions des zones climatiques dans le monde.

Les facteurs qui déterminent le climat dans le monde est assez variés (relief, proximité de la mer, latitude, etc…). Cependant, le facteur le plus prépondérant étant l’ensoleillement c’est-à-dire la manière dont les rayons solaires viennent toucher la terre. En effet, suivant ce paramètre, on distingue les zones climatiques majeurs suivants : -

Les zones tempérées (de 10° à 60°): les radiations solaires arrivent avec un angle plus petit et les températures moyennes sont bien plus froides que dans les subtropiques. Les saisons et la longueur des jours diffèrent significativement durant l’année. Les précipitations sont plus régulières et la végétation persiste pendant une longue période.

-

Les zones subtropiques (de23.5° à 40°) : ces zones reçoivent les plus fortes radiations solaires en été. En plus, elles reçoivent moins d’humidité. De ce fait, la plus part des déserts sont situés dans cette zone. En hiver, les radiations diminuent fortement et peut temporairement faire très froid et humide.

-

Zones tropicales (de 0° 0 23°27’) : dans les régions équatoriales les radiations solaires atteignent le sol quasiment verticalement à midi durant presque toutes l’année ce qui en résulte une forte augmentation de la température ce qui favorise évaporation intense des surfaces d’eau. En conséquence, une forte humidité.

11

Cette dernière crée une couverture nuageuse dense ce qui réduit l’effet des radiations solaires sur les températures du sol.

Les différents types de climat sont subdivisés selon deux facteurs essentiels : la température et les précipitations, le tableau ci-dessous (tableau.1) montre cette répartition.

tableau.1. Les différents types de climat de la terre L’atmosphère. L’atmosphère est la couche d’air qui entoure le globe terrestre. Il est subdivisé en un certain nombre de sphères « gazeux » séparées par des pauses. L'atmosphère joue un rôle essentiel dans l'apparition de phénomènes hydrologiques. Le comportement de l'atmosphère nous intéresse à trois niveaux : • L'atmosphère constitue un stock d'air et d'eau. L'eau de l'atmosphère est sous forme de vapeur, sous forme liquide (fines gouttelettes) ou sous forme solide (cristaux de glaces en suspension). Cependant, on admet que la hauteur d'eau moyenne condensable ne représente qu'environ 20 mm ; • La terre est soumise à des échanges continuels d'énergie avec l'espace. L'atmosphère constitue un collecteur de chaleur provenant soit du soleil, soit du sol. Les échanges varient d'une façon très importante en fonction du temps (à l'échelle saisonnière et 12

à l'échelle journalière) et aussi en fonction du lieu. Ces différences provoquent des mouvements importants des masses d'air (et d'eau). • L'atmosphère joue donc un rôle de transport d'eau. Les vitesses de ces transports varient de quelques dizaines de kilomètres par heure au sol à plus de 400 km/h pour les "jetstreams" en altitude. Les gaz sont maintenus autour de la terre par la pesanteur (g) et la force gravitationnelle qui les retient et les empêche de s'échapper vers l'espace.

L'atmosphère a pris naissance du centre de la Terre. Il est formé des gaz qui ont été expulsés par les volcans au début de l'existence de la Terre. On peut caractériser l'atmosphère par sa composition, sa pression et sa température. A partir de ces trois éléments, on pourra expliquer la plupart des phénomènes atmosphériques.

L'atmosphère est un mélange d'air et d'eau en proportion variable. On admet que la composition moyenne actuelle la plus probable est la suivante (Tableau 2) : Nom du gaz

% présent

Azote (N2)

78 %

Oxygène (O2)

21 %

Argon (A)

0,93 %

Vapeur d'eau (H2O)

0-4%

Gaz carbonique (CO2)

0,033 %

Néon (Ne)

0,0018 %

Krypton (Kr)

0,000114 %

Hydrogène (H)

0,00005 %

Oxyde d'azote (N2O)

0,00005 %

Xénon (Xe)

0,0000087 %

Ozone (O3)

0 - 0,000001 %

Tableau 2. Composition actuelle de l’atmosphère 13

Cette division est basée sur la répartition verticale de la température plus ou moins constante. On note une alternance de couches dont le gradient vertical de température est positif avec les couches dont le gradient vertical de température est négatif (Fig 2). Les altitudes de ces couches varient avec la latitude, la saison et les masses d’air. La troposphère est la zone qui contient presque toute la vapeur d’eau de l’atmosphère, elle est le siège de tous les hydrométéores : pluie, neige, grêle, etc…

Le profil vertical de température (tableau 2) est totalement lié à : -

La composition chimique de l’atmosphère

-

La capacité des différents gaz qui la composent d’absorber certains rayonnements

La pression de l’air dépend de la latitude. Les cartes barométriques sont établies à partir des pressions. On définit le gradient barométrique horizontal par : G = Δp/Δl avec Δp : variation de pression et Δl : variation de longueur

Fig 1. Subdivision de l’atmosphère

14

On remarque d’après la figure ci-dessus (fig 1), que La moitié de la masse atmosphérique est concentrée dans la troposphère ce qui rend la pression en cette zone très élevée. A l’échelle de la troposphère, la décroissance de la pression de l’air avec l’altitude entraîne la décroissance de la température. Dès qu’un mouvement ascendant se produit dans l’atmosphère les masses d’air entraînées sont portées à une altitude plus élevée où règne une pression plus faible ; par suite ces masses se détendent et augmentent de volume. Elles sont de différents types.

Les masses d’air se forment lorsqu’une large étendue de l’atmosphère se trouve au repos ou se déplace lentement au-dessus d’une région ayant des caractéristiques de température et d’humidité à peu près uniformes ; on les appelle régions sources (donnent leur nom à la masse d’air). Dans l’ordre de température ascendante, les masses d’air sont dites Arctique (A), Polaire (P), ou Tropicale (T). Selon leur degré d’humidité : Continentale (C), ou Maritime (M).

Sous l’action des champs de pression on rencontre une limite séparant deux masses d’air différentes appelée Front. Ce sont donc des zones de transitions relativement étroites entre deux masses d’air différentes. Un front peut être stationnaire ou quasi-stationnaire, se déplaçant lentement autour d’une position moyenne fixe. Dans le cas où l’air chaud déplace de l’air froid, on dit que c’est un front chaud qui avance. Il est caractérisé par (fig 4): ➢

Le glissement de l’air chaud sur l’air froid,

➢

L’angle de la surface de contact des deux masses d’air est faible,

➢

Taux d’ascension faible,

➢

Pluie résultante de faible intensité ;

Fig 4. Front chaud 15

Dans le cas où l’air froid déplace l’air chaud, c’est un front froid qui est associé à (Fig5): ➢

Des taux d’ascension plus rapide,

➢

Des pluies plus intenses sur une bande plus étroite ;

Fig 5. Front froid

Le cyclone est une région où la pression est faible, où les vents vont dans le sens contraire des aiguilles d’une montre dans l’hémisphère Nord. N.B : L’anticyclone est une région de haute pression où les vents dans l’hémisphère Nord sont dans le sens des aiguilles d’une montre. Un anticyclone est caractéristique de beau temps.

L’échauffement de l’air près du sol peut être tel que l’air près du sol devient moins dense que l’air au-dessus, malgré la pression plus forte près du sol. Ceci crée un système instable et s’il y a début d’ascension de l’air chaud, cet effet s’amplifie rapidement et le mouvement ascensionnel devient très rapide. Il y a des vents violents accompagnés de pluies très intenses et de décharges électriques. Le phénomène ne couvre cependant que de faibles superficies.

Lorsque le vent soufflant au ras du sol, rencontre, transversalement, une chaîne de montagnes, il doit nécessairement remonter la pente du relief pour franchir l’obstacle. Il en résulte un courant d’air ascendant qui, si l’air est chargé de vapeur, provoque la formation de nuages. C’est pourquoi les vents soufflant de la mer vers les chaînes de montagnes engendrent systématiquement des pluies (ou des chutes de neige) sur les versants tournés vers la mer. C’est ce qu’on appelle des pluies de relief, ou encore, des pluies orographiques.

16

Fig 6. Courant de relief.

La turbulence provoque un brassage plus ou moins intense d’une couche d’air d’épaisseur variable, brassage grâce auquel l’humidité absolue de la couche tend à devenir homogène. A partir d’un certain « niveau de condensation », la pression de vapeur est saturante, par suite du refroidissement de l’air transporté vers le haut par le brassage, il se forme un nuage appelé Stratus. Ce dernier peut donner lieu à de faibles précipitations (bruine), s’il est suffisamment épais.

Fig 7 . Les courants de turbulence

Un nuage est un ensemble de gouttelettes d’eau, en suspension, pleines de liquide, mais extrêmement fines. Ces gouttelettes sont maintenues en suspension dans l’air grâce à la résistance que ce dernier leur oppose. On distingue deux morphologies de base : ➢ Les nuages stratiformes : sont minces et peuvent couvrir de vastes régions ➢ Les nuages cumuliformes : moins larges que haut et peuvent atteindre des dimensions verticales importantes. D’après la forme du nuage, on distingue: ➢ Nuages élevés (3 – 18 km) : Cirrus, Cirrostratus, Cirrocumulus ➢ Nuages moyens (2 – 8 km) : Altocumulus, Altostratus

17

➢ Nuages bas (sol – 2 km ) : Nimbostratus, Stratocumulus, Stratus, Cumulus, Cumulonimbus

Fig 8. Les différents types des nuages Un nuage varie en fonction de la température. Le tableau ci-dessous (Tableau montre le contenu d’un nuage en fonction de la température :

Tableau 4. Le contenu d’un nuage en fonction de la température Indice climatiques. Les indices climatiques sert à définir les différents types de climat en fonction de deux paramètres climatiques majeurs : La température et les précipitations.

Le quotient pluviométrique (Q) ou indice climatique d’Emberger sert à définir les cinq différents types de climats méditerranéens. Depuis le plus aride jusqu’à celui des hautes montagnes, climats que seul le Maroc possède en totalité dans la région méditerranéenne. Le quotient pluviométrique est définie par la formule : Q = 2000 p (M2 – m2) Avec : Q est le quotient pluviométrique d‘Emberger M la moyenne des température du mois le plus chaud en degré Kelvin m: est la moyenne des température du mois le plus frais en kelvin P : la pluviométrie annuelle en mm 18

L’évaluation du quotient pluviométrique en fonction de la température minimale a permit le traçage d’une courbe référentielle appelée : Climagramme d’Emberger (Fig. 9).

Fig.9. climagramme d’Emberger

L'indice de l'aridité est un indicateur quantitatif du degré du manque d'eau, présent à un endroit donné. Ct indice (i) par la formule de DE MARTONNE. Indice d'aridité: I = 12 P / (t – 10) P: précipitation moyenne annuelle (mm). T: température moyenne annuelle (C°). Indice

Climat

I