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Le chapitre précédent nous a donné l'occasion de décrire les principaux processus intervenant dans la génération des écoulements sur un bassin versant. Cependant, les tâches de l'ingénieur hydrologue et du chercheur ne s'arrêtent pas ici car il reste à comprendre les relations qui existent entre l'impulsion ou la sollicitation - sous forme de précipitations – reçue par le bassin et sa réponse hydrologique se traduisant à l'exutoire de ce dernier par une variation temporelle de débit.
La manière dont réagit le bassin lorsqu'il est soumis à une sollicitation se nomme réponse hydrologique. Elle est schématiquement représentée à la figure 11.1 ci-dessous.
Fig. 11.1 - Illustration du principe de la réponse hydrologique d'un bassin versant.
En fait, une averse tombant sur un bassin versant aura pour conséquence, en une station de contrôle située sur le cours d'eau, une réponse pouvant être nulle (absence de modification de l'écoulement ou absence de crue) ou positive (écoulement modifié ou crue). En fonction de ce qui a été vu précédemment, cette réponse peut être :
De plus, la réponse peut être différenciée selon que cette dernière est :
Le rôle de l'ingénieur est donc d'une part d'identifier les processus hydrologiques et leur part respective intervenant dans la réponse du bassin versant et, d'autre part, les modalités du passage de l'impulsion pluviométrique à la réponse hydrologique. La question qui se pose alors est de comprendre et interpréter les mécanismes de transformation de la pluie à l'hydrogramme de crue.
Dans le cadre d'une description des processus selon le principe établi par Horton, la transformation de la pluie en hydrogramme de crue se traduit par l'application successive de deux fonctions, nommées respectivement fonction de production – ou fonction d'infiltration - et fonction de transfert. La fonction de production permet de déterminer le hyétogramme de pluie nette à partir de la pluie brute. La fonction de transfert permet quant à elle de déterminer l'hydrogramme de crue résultant de la pluie nette (la pluie nette est la fraction de pluie brute participant totalement à l'écoulement). (Fig. 11.2).
Fig. 11.2 - Transformation de la pluie brute en hydrogramme de crue.
Le passage du hyétogramnme de pluie à l'hydrogramme de crue fait intervenir toutes les caractéristiques météorologiques, physiques et hydrologiques du bassin versant considéré. Dès lors, on comprendra aisément que la détermination d'une relation analytique rigoureuse entre précipitations et débits est une tâche très difficile. Toutefois, l'analyse de séries de couples pluies-débits permet d'obtenir des informations pertinentes sur la fonction de transfert du bassin versant.
Une averse, définie dans le temps et dans l'espace, tombant sur un bassin versant de caractéristiques connues, et dans des conditions initiales données, provoque à l'exutoire du bassin considéré un hydrogramme défini. La figure 11.3 définit quelques éléments essentiels relatifs à l'hydrogramme résultant d'un hyétogramme spécifique.
Fig. 11.3 - Hyétogramme et hydrogramme résultant d'un événement pluie-débit
L'hydrogramme de crue présente la forme générale d'une courbe en cloche dissymétrique que l'on divise en quatre parties : tarissement (avant la pluie nette), crue, décrue et tarissement (après la recension hydropluviométrique étudiée).
On définit alors des temps caractéristiques :
La surface comprise entre la courbe de l'écoulement retardé et l'hydrogramme de crue/décrue représente le volume ruisselé. Ce volume, exprimée en lame d'eau, est égal par définition au volume de la pluie nette. Cependant, la distinction entre écoulement retardé de subsurface et ruissellement direct de surface étant relativement floue, il n'est pas rare de considérer un volume de ruissellement direct équivalent à celui de la pluie nette définie comme la surface comprise entre la courbe de l'hydrogramme de crue/décrue et celle de l'écoulement souterrain1.1Il s'agit là d'un constat identique à celui que l'on a fait lorsque l'on a présenté les notions de coefficient d'écoulement de surface et coefficient de ruissellement au chapitre consacré à l'étude de l'écoulement et de l'infiltration.
La nature et l'origine des crues ou hautes eaux sont liées aux régimes hydrologiques et à la taille du bassin versant. Les bassins versants du Plateau suisse, par exemple, appartiennent au régime pluvial ou au régime nivo-pluvial. Les crues auront ainsi pour origine les averses (liquides et /ou solides) et/ou la fonte de neige. Les crues peuvent être groupées, selon les causes qui les engendrent selon :
La réponse hydrologique d'un bassin versant est influencée par une multitude de facteurs tels que ceux liés :
Les facteurs liés aux précipitations ainsi qu'aux conditions climatiques sont des facteurs externes au milieu tandis que la morphologie, les propriétés physiques du versant, la structuration du réseau et les conditions antécédentes d'humidité sont des facteurs internes. L'ensemble de ces éléments ayant été étudié tout au long des chapitres précédent, nous n'y reviendrons pas ici à l'exception du rôle de la pluviosité qui sera développé dans les prochains paragraphes ainsi que l'importance de l'état antécédent d'humidité.
Dans ce cadre, l'Institut d'Aménagement des Terres et des Eaux (IATE / HYDRAM) a développé un didacticiel permettant en outre d'étudier la réponse hydrologique d'un bassin versant lorsque celui-ci est soumis à une sollicitation pluvieuse dans quelques situations simples. Cet outil, nommé DHYDRO est une application informatique pouvant être acquise ici. La figure 11.4 ci-dessous donne un aperçu sommaire des fonctionnalités de cette application. On y a représenté quatre fenêtres nommées A, B, C et D. La fenêtre A illustre le contrôle essentiel du bassin versant, à savoir sa couverture du sol et la pente du versant ainsi que le type de réseau hydrographique qu'il comporte, la fenêtre B donne la description topographique du versant ainsi que celle du réseau hydrographique. La fenêtre C permet de déterminer la pluie nette à partir d'un fichier de pluie brute selon différentes fonctions d'infiltration que l'utilisateur peut choisir. Enfin, la dernière fenêtre (D) représente graphiquement l'hydrogramme résultant d'une précipitation donnée sur un bassin versant défini.
Fig. 11.4 - Transformation de la pluie brute en hydrogramme de crue
Pour illustrer l'influence de ces facteurs, on se base ci-dessous sur une schématisation très ancienne (Linsley et Crowford, 1966, reprise par Réménérias, 1976) qui conserve malgré son âge toute son acuité pédagogique.
Pour un événement pluvieux donné, la réponse hydrologique d'un bassin dépend du volume précipité, mais également des variations d'intensité et de la durée de l'averse. Afin d'illustrer tout d'abord l'influence de la durée de l'averse, nous emprunterons le raisonnement suivant :
Soit un bassin versant divisé en quatre zones A-B-C-D concentriques d'égales surfaces, d'égales coefficients de ruissellement et délimitées par des lignes isochrones. Rappelons que les lignes isochrones sont des lignes d'isovaleurs de temps de concentration entre le point considéré et l'exutoire du versant. On assigne à chaque secteur un temps d'écoulement variant de 1 heure pour la zone la plus proche de l'exutoire (A) à 4 heures pour la zone la plus éloignée (D) (Fig. 11.5).
Fig. 11.5 - Représentation schématique du bassin versant (d'après Réménérias )
On considère un événement pluvieux de volume égal à 10 mm constant pour tous les cas de figure examinés
La figure 11.6 présente trois cas distincts de durée :
Fig. 11.6 - Influence de la durée de l'averse sur la réponse hydrologique d'un bassin versant (d'après Réménérias . Les hyétogrammes figurent sur la partie gauche de la figure tandis que les hydrogrammes résultants figurent à droite.
On peut alors observer qu'il existe une durée critique de la précipitation pour laquelle le débit de pointe est maximal. Cette durée critique est égale à la durée de concentration du bassin versant.
La précipitation totale moyenne de 10 mm en 1 heure est inégalement répartie sur l'ensemble du bassin. La figure 11.7 illustre l'influence de la distribution spatiale de l'averse sur l'allure de l'hydrogramme résultant.
Fig. 11.7 - Influence de la distribution spatiale de l'averse sur la réponse hydrologique d'un bassin versant. Les hyétogrammes figurent sur la partie gauche de la figure tandis que les hydrogrammes résultants figurent à droite. (d'après Réménérias ).
La précipitation totale de 10 mm en 1 heure est uniformément répartie sur tout le bassin, mais elle est inégalement distribuée dans le temps. L'influence des variations d' intensité de l'averse sur l'allure de l'hydrogramme résultant est illustrée dans la figure 11.8 dans laquelle les hyétogrammes figurent sur la partie gauche de la figure tandis que les hydrogrammes résultants figurent à droite.
Fig. 11.8 - Influence des variations d'intensité de
l'averse sur la réponse hydrologique d'un bassin versant).
(d'après Réménérias
Avant de présenter l'analyse des crues ainsi que des événements pluies-débits, on insistera une fois encore sur le fait que le rôle de l'ingénieur est d'identifier les facteurs dominant du comportement hydrologique d'un bassin versant ainsi que de quantifier leur importance sur la dite réponse. Dans cet esprit, l'étude du comportement hydrologique fait souvent appel à des modèles permettant d'explorer plus ou moins systématiquement l'effet d'un ou de plusieurs facteurs sur le comportement hydrologique. La modèlisation est donc ici exploitée comme outil de compréhension et d'analyse.
La réponse hydrologique dépend également fortement de l'état hydrique initial du bassin, lui-même relié aux séquences de divers types de périodes pluvieuses et sèches qui ont précédé l'événement pluie-débit étudié. Ainsi, une pluie tombant sur un sol sec servira d'abord à combler le déficit d'humidité du sol. Cette même pluie sera entièrement disponible pour le ruissellement si le sol est déjà saturé au début de l'événement.
Dans un état initial sec (nappe profonde, faible extension des surfaces saturées), la recharge de la nappe sera beaucoup plus lente et le ruissellement par saturation beaucoup plus limité. La figure 11.9 donne un exemple de débit simulé pour deux conditions antécédentes particulières à savoir une condition humide et une condition sèche. La condition initiale sèche se traduit par une première crue bien plus faible que dans la situation d'une condition initiale humide puisque l'eau de pluie va commencer par remplir le réservoir sol avant de générer de l'écoulement.
Fig. 11.9 - Influence des conditions antécédentes d'humidité sur le comportement hydrologique d'un bassin versant (sol initialement humide en noir et sol initialement sec en gris).
Ce chapitre nous a permis d'effectuer un passage important allant des aspects descriptifs de l'hydrologie par le biais de la compréhension des processus sous-jacents à la notion de réponse hydrologique. Arrivant au terme de ce cours, nous avons successivement vu les principaux facteurs qui conditionnent le comportement hydrologique d'un bassin versant. Du rôle de la topographie à celui des conditions initiales d'humidité du sol en passant par l'importance des facteurs météorologiques, nous avons ainsi souligné la diversité des processus intervenant dans le cycle de l'eau à l'échelle du bassin versant mais aussi leur complexité et leurs interrelations.