Hydrologie

L'hydrologie est la science du cycle de l'eau, c'est-à-dire du parcours de l'eau sur Terre. Il faut savoir qu'environ 95% de l'eau sur notre planète est bloquée dans de la roche et donc seul 5% environ est mobile.

## **Les formes de l'eau:**

L'eau est présente sous 3 formes:

* Solide (glace, neige...)
* Liquide (eau liquide...)
* Gazeux (vapeur d'eau...)

## **Le cycle de l'eau:**

Le cycle de l'eau est la répétition globale du parcours de l'eau sur Terre. En effet, lorsqu'il pleut, l'eau qui tombe a été auparavant dans la mer, dans l'océan, dans un lac...

Une partie de l'eau de surface (eau présente sur la surface de la Terre: mers, océans, lacs, cours d'eau, flaques...) s'évapore par les rayons du soleil et rejoint l'atmosphère. L'eau rejetée par les êtres vivants est aussi soumise à l'évaporation. L'accumulation de l'évaporation formera de la vapeur d'eau qui s'élèvera avec l'air chaud. Plus cet air s'élèvera et plus il se refroidira et la vapeur d'eau formera de toutes petites gouttelettes. Le regroupement de ces gouttelettes formera des nuages. Lorsque le nuage sera trop condensé, les gouttes seront trop lourdes pour rester dans l'atmosphère et finiront par retomber (c'est la pluie). Une partie de l'eau ruissellera et se retrouvera dans les cours d'eaux puis dans la mer ou l'océan ou le cycle recommencera, mais une partie de l'eau s'infiltrera dans la terre, rechargera des nappes souterraines et ressortira par des sources ou au fond des cours d'eau. La quantité d'eau présente dans une nappe souterraine par rapport à ce qui arrive et à ce qui repart chaque année donne le temps de renouvellement qui est différent selon les endroits. Si ce temps dépasse le temps de notre civilisation, on parle alors d'eau fossile.

*Schémat simplifié du cycle de l'eau par Uief003. (© Uief003)*

## **L'hydro-écoregion:**

L'hydro-écorégion (HER) est une zone créée afin d'améliorer la qualité de l'eau. Il existe deux types de classifications:

* HER 1: elle permet de séparer le climat méditerranéen, les plaines et collines ainsi que les montagnes.
* HER 2: elle reprend les critères de la zone HER 1 en ajoutant les variations géophysiques et climatiques.

En France, avec la classification HER 1, on obtient 22 hydro-écorégion de niveau 1 tandis qu'avec la classification HER 2, on obtient 107 hydro-écorégion de niveau 2.

## **Le bassin-versant:**

Le bassin-versant est un espace drainé par un cours d'eau (et ses affluents s'il en a) sur un ensemble de versant. Toute l'eau présente dans cette zone finira par s'écouler en un point du cours d'eau principal appelé exutoire. En général, la ligne de partage des eaux correspond à la ligne de crête. Il s'agit donc dans ce cas de bassin-versant topographique. Toutefois, lorsque le sol perméable repose sur une roche imperméable, l'eau peut s'infiltrer et ressortir sous forme de source sur un autre bassin versant. Dans ce cas, le bassin-versant est appelé bassin-versant réel. Les infrastructures comme les routes avec leurs fossés, les canaux... influencent directement sur le ruissellement tout comme le fait de dévier l'eau comme les stations de pompage.

*Schéma simplifié du bassin versant par Uief003. (© Uief003)*

### **L'hydrogramme:**

L'hydrogramme est un graphique représentant le débit de l'eau sur une période donné. Il est utilisé pour déterminer les variations de l'écoulement d'eau en un point du bassin-versant (*hydrogramme de précipitations*) ou sur un tronçon du cours d'eau (*hydrogramme de ruissellement*). Lorsqu'un bassin versant est sollicité par une hausse d'eau de ruissellement, il transcrira une augmentation de la vitesse d'écoulement de l'eau donc une montée des eaux et une plus grande intensité. Ainsi, toutes ces informations seront retranscrites sur l'hydrogramme.

### **Mesurer un débit:**

Pour mesurer un débit, on peut utiliser différentes méthodes:

* méthode volumétrique: temps de remplissage d'un réservoir dont la contenance est connue. Cette méthode est pratiquée que pour un écoulement à faible débit.
* méthode par champ de vitesse: calculer la vitesse d'écoulement à plusieurs points d'une zone tout en mesurant sa surface.
* méthode hydraulique: prise en compte des forces d'écoulement et elle demande la présence d'ouvrage calibré.
* méthode physico-chimique: injection d'une nouvelle solution dans un cours d'eau et suivre l'évolution de sa concentration au cours du temps.

### **Temps de concentration:**

Le temps de concentration est le temps nécessaire à une goutte d'eau de pluie pour parcourir le chemin hydrologique entre un endroit du bassin et l'exutoire. Selon chaque bassin, le temps sera plus ou moins différents dû au fait de différence de topographie, de géologie, l'imperméabilité des sols...

```
Temps de concentration = temps d'humectation + temps de ruissellement

```

(Le temps d’humectation c'est le temps pour que le sol ne puisse plus infiltrer l'eau et qu'il y a début du ruissellement).

### **La ligne isochrone:**

La ligne isochrone est l'ensemble des points où une goutte d'eau prends le même temps pour ruisseler jusqu'à l'exutoire (en général).

## **La morphologie du bassin versant:**

Comme dit précédemment, le bassin aura un «comportement» différent selon la forme qu'il aura en terme de topographie, de géologie, l'imperméabilité des sols...

**La Surface:**

Il faut s'imaginer que le bassin-versant est un espace qui recueil les précipitations. Plus cet espace sera grand plus toute l'eau de ruissellement mettra plus de temps pour arriver à l'exutoire. C'est normal, car cette eau mettra plus de temps à rejoindre un cours d'eau du bassin du fait du vaste espace. Cette espace nommé surface est mesuré en km². On peut le mesurer par une superposition dessinée sur un papier calque avec l'utilisation d'un planimètre ou numériquement.

### **La Forme:**

La forme globale d'un bassin-versant influence le débit du cours d'eau à l'exutoire.

 La forme est différente de la surface.

Imaginons deux rivières dans deux vallées différentes. Une rivière nommée Rivière n°1 est longue de 83 km et la rivière nommé Rivière n°2 est longue de 34 km. Ces deux cours d'eau se jette ensemble à un endroit et à cet endroit leurs débits sont égaux. Un jour, une pluie s'abat sur la région et il tombe le même nombre de précipitations dans les deux vallées. Pourtant... la Rivière n°2 aura un débit plus important à sa confluence que la Rivière n°1.

Ce phénomène est dû au fait que l'eau tombée dans le bassin-versant de la Rivière n°1 n'as pas encore eu le temps de parcourir son trajet jusqu'à l'exutoire.

En résumé plus un bassin-versant est long, plus l'eau mettra plus de temps à arriver à l'exutoire qu'un autre bassin versant ayant la même surface mais étant plus arrondi. Les méandres du cours d'eau influencent aussi à la vitesse de l'eau dans le bassin-versant.

*Schéma simplifié des bassins versants par Uief003. (© Uief003)*

**L'indice de Gravelius:** rapport du périmètre du bassin-versant au périmètre d'un cercle ayant la même surface définie par:

```
KG =

 P

 2

  x

 π

  x

 A

 {\displaystyle {\frac {P}{2{\text{ x }}{\sqrt {\pi {\text{ x }}A}}}}}

```

Dans la formule;

* KG = indice de compacité de Gravelius (*pas d'unité*)
* P = périmètre du bassin-versant (en *km*)
* A = surface du bassin versant (en *km²*)

Plus l'indice sera proche de 1, plus le bassin-versant sera arrondie. En revanche plus l'indice sera supérieur à 1, plus le bassin-versant sera allongé.

#### **Le relief:**

Le relief détermine énormément la vitesse d'écoulement. Plus la pente sera importante, plus l'eau coulera vite dans le bassin-versant. À l'inverse, moins la pente sera importante, moins l'eau coulera vite.

Le relief peut être représenté par une courbe hypsométrique. Le milieu de cette courbe (en abscisse) correspond à l'altitude médiane.

#### **Les méandres:**

La forme du cours d'eau influence directement sur son débit. L'eau allant en ligne droite parcourra plus de distance qu'une eau faisant des zigzags.

### **L'altitude moyenne:**

Elle se détermine grâce à la courbe hypsométrique ou à la lecture d'une carte topographique. Elle est définie par la formule suivante:

```
Hmoy =

 ∑

 A

 i

  x

 H

 i

 A

 {\displaystyle \sum {\frac {A\_{i}{\text{ x }}H\_{i}}{A}}}

```

Dans la formule;

* Hmoy = altitude du bassin versant (en *m*)
* Ai = aire comprise entre deux courbes de niveau (en *km²*)
* Hi = altitude moyenne comprise entre deux courbes de niveau (en *m*)
* A = surface du bassin-versant (en *km²*)

 L'altitude moyenne peut être très peu représentative de la réalité !

### **La pente moyenne:**

Elle permet de donner un ordre d'idée sur le temps de ruissellement dans le bassin-versant par rapport au parcours de l'eau. Elle est définie par la formule suivante:

```
Im =

 D

  x

 L

 A

 {\displaystyle {\frac {D{\text{ x }}L}{A}}}

```

* Im = pente moyenne (soit en *m*, en *km* ou en *‰*)
* D = mi-distance entre deux courbes de niveau (en *m*)
* L = longueur totale des courbes de niveau (en *km*)
* A = surface du bassin versant (en *km²*)

## Le réseau hydrographique:

Le réseau hydrographique est l'ensemble des cours d'eau (naturels ou artificiel) qui permettent l'écoulement. Si ce réseau est différent selon les bassins-versants, c'est due à plusieurs paramètres:

* **la géologie****:** la forme et les constituants (type de roche) du terrain sont les éléments majeurs qui déterminent l'écoulement.
* **la pente:** si elle est élevée, les cours d'eau éroderont la roche or, si elle est faible, les cours d'eau déposeront de fines particules (sédimentation).
* **le climat:** l'évolution du climat permet l'évolution des cours d'eau. Dans les déserts, la majorité des cours d'eau sont à sec.
* **la présence animale et humaine:** des espèces peuvent utiliser les cours d'eaux pouvant modifier ainsi de nombreux paramètres comme sont tracé, le débit...

### **Ordre des cours d'eau:**

* **Classique:** les cours d'eau se jetant dans la mer ou l'océan sont numérotés n°1. On donne ensuite aux affluents de ces cours d'eau (s'ils en ont) un nombre supérieur au cours d'eau dans lequel ils se déversent. Donc les affluents du cours d'eau n°1 seront numérotés n°2, les affluents du cours d'eau n°2 seront numérotés n°3... Cet ordre peut poser problème, car entre chaque confluence, il faut déterminer lequel des cours d'eau est la continuité du cours d'eau en aval. Pour cela, de nombreux paramètres ont été pris en compte comme le débit, ou le cours d'eau qui avait la source la plus loin du lieu de confluent...
* **Horton-Schumm-Strahler:** tous les cours d'eau n'ayant aucun affluent est numéroté n°1. Le cours d'eau formé par la confluence de deux cours d'eau possédant le même numéro chacun est augmenté de 1. En revanche, le cours d'eau formé par la confluence de deux cours d'eau possédant un numéro différent, prendra le numéro le plus grand des deux.
* **Shreve:** tous les cours d'eau n'ayant aucun affluent est numéroté n°1. À chaque confluence, additionner les numéros de chaque cours d'eau.

*Schéma simplifié des bassins versants par Uief003. (© Uief003)*

Il faut savoir que ces ordres ne sont pas forcément respectés dans la réalité. Notamment pour nommer un cours d'eau. La Durance par exemple est plus petite que la Clarée et que la Guisane et c'est pourtant elle qui se déverse dans le Rhône.

### **La pente moyenne du cours d'eau:**

Elle détermine la vitesse d'écoulement dans le lit du cours d'eau jusqu'à l'exutoire. Le calcul s'effectue à partir d'un profil longitudinal (profil en travers) et donne la formule suivante:

```
Pmoy =

 [

 Δ

 H

 m
 a
 x

 L

 ]

 {\displaystyle \left[{\frac {\Delta H\_{max}}{L}}\right]}

```

* Pmoy = pente moyenne du cours d'eau (en *m* ou en *km*)
* ΔHmax = dénivellation maximale du cours d'eau (en *m*)
* L = longueur du cours d'eau (en *km*)

### **Le réseau de drainage:**

C'est le réseau constitué de l'ensemble des cours d'eau sur un bassin-versant à grande échelle. Il dépend de la topographie. Ce réseau peut être de différentes formes:

* **dendritique:** c'est la forme la plus courante, elle est généralement présente dans les vallées en forme de V et lorsque le sol est assez imperméable (généralement argileux).

* **parallèle:** en général, cette forme est présente lorsque les cours d'eau ont une vitesse élevée dans une zone à forte pente.

* **treillis:** la forme est caractérisée par la confluence de cours d'eau à environ 90°.

* **rectangulaire:** un drainage rectangulaire se développe en général lorsque les roches ont une résistance à l'érosion assez uniforme et qui forment un angle proche de 90°.

* **radial:** ce réseau est caractérisé par un point haut central qui permet l'écoulement des cours d'eau dans différentes directions.

* **centripète:** similaire au réseau radial, mais les cours d'eau se rejoignent.

* **anarchique:** peu de cohérence par rapport au terrain. Cela se produit généralement lorsqu'il y a beaucoup de perturbations géologique.

* **annulaire:** pratiquement identique au réseau radial à l'exception que le réseau est plus circulaire.

* **angulaire:** très similaire au réseau rectangulaire, sauf que les angles sont très inférieurs à 90°.

* **contourné:** les cours d'eau s'éloignent d'abord puis vont se rapprocher du cours d'eau vers lequel ils vont affluer en aval.

D'autres formes existent, mais elles sont généralement plus rares.

### **La densité de drainage:**

Elle est caractérisée par la formule suivante:

```
Dd =

 ∑

 L

 i

 A

 {\displaystyle {\frac {\sum {L\_{i}}}{A}}}

```

* Dd = densité de drainage (en *km* ou en *km²*)
* Li = longueur de cours d'eau (en *km*)
* A = surface du bassin versant (en *km²*)

Le niveau de développement du réseau de drainage est exprimé par le rapport de confluence.

Elle est caractérisée par la formule suivante:

```
RB =

 N

 U

 N

 U

 1

 {\displaystyle {\frac {N\_{U}}{N\_{U}+1}}}

```

* RB = rapport de confluence des cours d'eau
* NU = nombre des cours d'eau de valeur U.
* NU + 1 = nombre des cours d'eau de valeur U + 1.
* U = valeur du cours d'eau situé entre 1 et W.
* W = valeur du cours d'eau principal selon Strahler.

### **La nature du sol:**

Le sol permet de retenir plus ou moins l'eau selon sa nature.

* **La végétation:** intercepte une partie de l'eau lors d'une averse.
* **Le béton et le goudron:** favorise le ruissellement et diminue l’infiltration.

Le coefficient de ruissellement est caractérisé par la formule suivante:

```
Cr =

 H

 e
 r

 H

 e
 p

 {\displaystyle \frac{H\_{er}}{H\_{ep}}}

```

* Cr = coefficient de ruissellement
* Her = hauteur d'eau ruisselée (en *mm*)
* Hep = hauteur d'eau précipitée (en *mm*)

Plus un sol infiltre vite l'eau de ruissellement, plus il diminue les risque de crues. Au contraire moins un sol infiltre et plus il augmente les risque de crues. Cette en partie pour cette raison qu'il y a l'augmentation de risque de crue en Provence, car la région est très urbanisée.