• 1. 1 -- LE BASSIN VERSANTLE BASSIN VERSANT -- Cours Master 1 C. Legout Laboratoire d’étude des Transferts en Hydrologie et en Environnement Université Joseph Fourier [email protected] 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
  • 2. 2 Surface drainée par une rivière en amont d ’un point, l ’exutoire. Les limites d ’un bassin versant sont généralement fixées à partir de la topographie : exutoire exutoire exutoire 1- Définition exutoire Figure: Vallée de Ceillac, H-A, BV Durance (doc. Ph. Bois) 0 200 400 600 800 Délimitation du BV à partir de cartes IGN 1- Définition Figure: Bassin versant de Kerbernez (29) Distance (m) Altitude(m)
  • 3. 3 Délimitation du BV à partir de MNT 1- Définition 1- Définition Figures : MNT du bassin versant de la Fontaine du Theil, 35 et représentation du décalage entre le contour réel et déterminé numériquement (ENSA et CEMAGRF Rennes)
  • 4. 4 BV topographique ≠ BV hydrogéologique Figure: Exemples de modifications de la délimitation du BV suite à des modifications anthropiques (D ’après A. Musy, le BV et son complexe) Figure: Distinction entre BV réel et BV topographique (doc M. Lelay) 1- Définition Sollicitation = Pluie (t) Réaction = Débit (t) 0 100 200 300 400 500 29/1 3/2 8/2 13/2 18/2 23/2 28/2 5/3 temps débit(L/s) 0 1 2 3 4 5 6 2/2 4/2 6/2 8/2 10/2 12/2 14/2 16/2 18/2 20/2 22/2 24/2 26/2 28/2 2/3 temps pluie(mm/h) Bassin versant 1- Définition
  • 5. 5 Temps (h) Débit(m3s-1) Débit de pointe Temps de montée Hydrogramme de crue 1- Définition Facteurs de contrôle : le comportement hydrologique d ’un bassin versant est fonction des mécanismes hydrologiques qui vont s’y développer. Ces processus sont contrôlés par : • la géométrie du bassin versant, • la géométrie du réseau hydrographique, • l ’occupation du sol, la nature du sol et du sous-sol, • les conditions aux limites et initiales 1- Définition
  • 6. 6 • La forme: comparaison avec un cercle : indice de Gravelius • La surface: • débit = f(surface) • méthode d ’estimation des surfaces 2- Caractéristiques géométriques Figure: Influence de la forme du BV sur l ’hydrogramme de crue (D ’après A. Musy, le BV et son complexe ) A P KG π2 = • La topographie: ♦ altitudes exutoire points culminant courbes hypsométriques ♦ pente → vitesse de ruissellement et d ’écoulement (temps de montée, débit de pointe pente moyenne, pente maxi, pente mini 2- Caractéristiques géométriques Surface cumulée (%) 0 100 Altitude(m)
  • 7. 7 Définition du réseau hydrographique: • ensemble des canaux de drainage naturels ou s’écoulent les eaux provenant du ruissellement ou restituées par les nappes souterraines soit sous forme de source, soit par restitution continue le long du lit du cours d ’eau (Roche, 1963) • cours d ’eau naturels ou artificiels, temporaire ou permanent (Musy, EPFL) Un fossé de drainage est il un élément du réseau hydrographique? Facteurs de contrôle du développement et de la géométrie d ’un cours d ’eau: • géologique, • climatique, • topographique (érosion/sédimentation) • anthropique (drainage, barrages, endiguement) 3- Le réseau hydrographique Quelques géométries types… 3- Le réseau hydrographique
  • 8. 8 Les longueurs et pentes caractéristiques: • longueur du cours d ’eau principal • profil en long/longitudinal • pente moyenne du cours d ’eau • densité de drainage Dd = Σli / A • densité hydrographique Dh = Σni / A Les ordres du BV: • Strahler, • Gravelius, • Horton L ’ordre d ’un bassin versant correspond à l ’ordre du tronçon à l ’exutoire Figure: Ordre d ’un BV selon Strahler (D ’après A. Musy, le BV et son complexe) 3- Le réseau hydrographique 3- Le réseau hydrographique Classification des cours d’eau : Rapport de confluence Rapport des aires Rapport des longueurs 1+ = u u c n n R 1− = u u a a a R 1− = u u l l l R
  • 9. 9 3- Le réseau hydrographique Cas particuliers : • Diffluences • Endoréisme Figure: Causse Méjean, Mont Lozère Figure: Doménon, Col de la Pra (doc P. Belleudy) Endoréisme : cas du Lac Tchad 3- Le réseau hydrographique Figure: Evolution du lac Tchad entre 1972 et 2001
  • 10. 10 Occupation du sol : forêt, prairie, culture, lacs, glaciers, surfaces imperméabilisées… Type de sol : texture, structure, capacité d’infiltration, stabilité structurale… Substrat géologique : perméable, imperméable, fissures, fractures 3- Les caractéristiques agro-pédo-géologiques Figure: Photo aérienne du bassin versant de Kerbernez (29) Précipitations : 4- Les conditions aux limites et initiales Figure: (a) Représentation schématique du bassin versant, (b) influence de la durée de l’averse sur la réponse hydrologique et (c) influence des variations d’intensité (tiré de Musy, la réponse hydrologique, d’après Réménérias) (c) (a) (b)
  • 11. 11 Etat initial du bassin versant 4- Les conditions aux limites et initiales Figure: Exemple de non-linéarités des crues liées aux conditions initiales: bassin versant de Latte (0.19 km²), Mont Lozère. (a) et (b) réponses très différentes à 2 apports de pluie semblable pour 2 conditions initiales différentes. (b) et (c): réponses semblables pour 2 apports de pluie et 2 conditions initiales différents (Ambroise, 1999). Le bassin versant transforme la pluie en débit de rivière Cette transformation est: • non linéaire, • varie pour un même bassin versant au cours de l ’année, d’une saison à l ’autre, d ’une crue à l ’autre, • varie d’un bassin versant à un autre selon les conditions géologiques, pédologiques, climatiques et selon l ’occupation du sol. En résumé... Besoin de caractériser les mécanismes hydrologiques
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    • 1. 1 -- LE BASSIN VERSANTLE BASSIN VERSANT -- Cours Master 1 C. Legout Laboratoire d’étude des Transferts en Hydrologie et en Environnement Université Joseph Fourier [email protected] 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
  • 2. 2 Surface drainée par une rivière en amont d ’un point, l ’exutoire. Les limites d ’un bassin versant sont généralement fixées à partir de la topographie : exutoire exutoire exutoire 1- Définition exutoire Figure: Vallée de Ceillac, H-A, BV Durance (doc. Ph. Bois) 0 200 400 600 800 Délimitation du BV à partir de cartes IGN 1- Définition Figure: Bassin versant de Kerbernez (29) Distance (m) Altitude(m)
  • 3. 3 Délimitation du BV à partir de MNT 1- Définition 1- Définition Figures : MNT du bassin versant de la Fontaine du Theil, 35 et représentation du décalage entre le contour réel et déterminé numériquement (ENSA et CEMAGRF Rennes)
  • 4. 4 BV topographique ≠ BV hydrogéologique Figure: Exemples de modifications de la délimitation du BV suite à des modifications anthropiques (D ’après A. Musy, le BV et son complexe) Figure: Distinction entre BV réel et BV topographique (doc M. Lelay) 1- Définition Sollicitation = Pluie (t) Réaction = Débit (t) 0 100 200 300 400 500 29/1 3/2 8/2 13/2 18/2 23/2 28/2 5/3 temps débit(L/s) 0 1 2 3 4 5 6 2/2 4/2 6/2 8/2 10/2 12/2 14/2 16/2 18/2 20/2 22/2 24/2 26/2 28/2 2/3 temps pluie(mm/h) Bassin versant 1- Définition
  • 5. 5 Temps (h) Débit(m3s-1) Débit de pointe Temps de montée Hydrogramme de crue 1- Définition Facteurs de contrôle : le comportement hydrologique d ’un bassin versant est fonction des mécanismes hydrologiques qui vont s’y développer. Ces processus sont contrôlés par : • la géométrie du bassin versant, • la géométrie du réseau hydrographique, • l ’occupation du sol, la nature du sol et du sous-sol, • les conditions aux limites et initiales 1- Définition
  • 6. 6 • La forme: comparaison avec un cercle : indice de Gravelius • La surface: • débit = f(surface) • méthode d ’estimation des surfaces 2- Caractéristiques géométriques Figure: Influence de la forme du BV sur l ’hydrogramme de crue (D ’après A. Musy, le BV et son complexe ) A P KG π2 = • La topographie: ♦ altitudes exutoire points culminant courbes hypsométriques ♦ pente → vitesse de ruissellement et d ’écoulement (temps de montée, débit de pointe pente moyenne, pente maxi, pente mini 2- Caractéristiques géométriques Surface cumulée (%) 0 100 Altitude(m)
  • 7. 7 Définition du réseau hydrographique: • ensemble des canaux de drainage naturels ou s’écoulent les eaux provenant du ruissellement ou restituées par les nappes souterraines soit sous forme de source, soit par restitution continue le long du lit du cours d ’eau (Roche, 1963) • cours d ’eau naturels ou artificiels, temporaire ou permanent (Musy, EPFL) Un fossé de drainage est il un élément du réseau hydrographique? Facteurs de contrôle du développement et de la géométrie d ’un cours d ’eau: • géologique, • climatique, • topographique (érosion/sédimentation) • anthropique (drainage, barrages, endiguement) 3- Le réseau hydrographique Quelques géométries types… 3- Le réseau hydrographique
  • 8. 8 Les longueurs et pentes caractéristiques: • longueur du cours d ’eau principal • profil en long/longitudinal • pente moyenne du cours d ’eau • densité de drainage Dd = Σli / A • densité hydrographique Dh = Σni / A Les ordres du BV: • Strahler, • Gravelius, • Horton L ’ordre d ’un bassin versant correspond à l ’ordre du tronçon à l ’exutoire Figure: Ordre d ’un BV selon Strahler (D ’après A. Musy, le BV et son complexe) 3- Le réseau hydrographique 3- Le réseau hydrographique Classification des cours d’eau : Rapport de confluence Rapport des aires Rapport des longueurs 1+ = u u c n n R 1− = u u a a a R 1− = u u l l l R
  • 9. 9 3- Le réseau hydrographique Cas particuliers : • Diffluences • Endoréisme Figure: Causse Méjean, Mont Lozère Figure: Doménon, Col de la Pra (doc P. Belleudy) Endoréisme : cas du Lac Tchad 3- Le réseau hydrographique Figure: Evolution du lac Tchad entre 1972 et 2001
  • 10. 10 Occupation du sol : forêt, prairie, culture, lacs, glaciers, surfaces imperméabilisées… Type de sol : texture, structure, capacité d’infiltration, stabilité structurale… Substrat géologique : perméable, imperméable, fissures, fractures 3- Les caractéristiques agro-pédo-géologiques Figure: Photo aérienne du bassin versant de Kerbernez (29) Précipitations : 4- Les conditions aux limites et initiales Figure: (a) Représentation schématique du bassin versant, (b) influence de la durée de l’averse sur la réponse hydrologique et (c) influence des variations d’intensité (tiré de Musy, la réponse hydrologique, d’après Réménérias) (c) (a) (b)
  • 11. 11 Etat initial du bassin versant 4- Les conditions aux limites et initiales Figure: Exemple de non-linéarités des crues liées aux conditions initiales: bassin versant de Latte (0.19 km²), Mont Lozère. (a) et (b) réponses très différentes à 2 apports de pluie semblable pour 2 conditions initiales différentes. (b) et (c): réponses semblables pour 2 apports de pluie et 2 conditions initiales différents (Ambroise, 1999). Le bassin versant transforme la pluie en débit de rivière Cette transformation est: • non linéaire, • varie pour un même bassin versant au cours de l ’année, d’une saison à l ’autre, d ’une crue à l ’autre, • varie d’un bassin versant à un autre selon les conditions géologiques, pédologiques, climatiques et selon l ’occupation du sol. En résumé... Besoin de caractériser les mécanismes hydrologiques
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