HYDROLOGIE

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Le bassin versant

Si l'on considère une section droite d'un cours d'eau, on peut lui associer un bassin versant, lieu géométrique des points de l'espace géographique où les précipitations sont susceptibles de contribuer au débit observé dans cette section. On définit aisément le bassin versant topographique limité par une ligne de partage des eaux, mais celui-ci peut différer du bassin versant réel à cause des circulations souterraines qui drainent parfois des eaux extérieures au bassin topographique ou, au contraire, drainent des eaux du bassin topographique hors de ce dernier. Il se peut d'ailleurs, dans le cas de nappes souterraines situées à cheval sur deux ou plusieurs bassins topographiques, que les limites du bassin réel fluctuent au cours du temps. Malgré ces difficultés, le bassin versant demeure l'objet fondamental de l'hydrologie continentale, celui qui transforme la pluie en débit, ces deux flux possédant d'ailleurs une série de propriétés physico-chimiques qui subissent elles aussi une transformation lors de leur passage sur et/ou à travers le bassin versant.

Le bassin versant est un objet complexe dont l'ensemble des caractéristiques (géométriques, géologiques, physiographiques, humaines, etc.) joueront un rôle non seulement dans le processus de transformation de la pluie en débit mais aussi, en amont et pour certaines d'entre elles (altitude, exposition...), dans le processus de formation de la pluie. Il faut noter à la surface du bassin versant l'existence d'un système de singularités, le réseau de drainage, arborescence dont l'exutoire du bassin constitue la racine et dont les rivières et les ruisseaux constituent les branches. Ce réseau est plus ou moins développé selon les circonstances et peut même exceptionnellement se confondre avec le bassin lorsque celui-ci ruisselle en tout point. La vitesse d'écoulement dans ce réseau, qui est de l'ordre du kilomètre par heure, est infiniment plus grande que celle de l'écoulement souterrain, qui est plutôt de l'ordre du mètre par jour.

Il ne manque pas dans la littérature scientifique de paramètres quantifiés destinés à mesurer telle ou telle caractéristique des bassins versants. Nous citerons par exemple l'indice de compacité (dit de Gravelius), rapport du périmètre du bassin au périmètre du cercle de même surface, destiné à caractériser la forme, allongée ou ramassée, du bassin. Ces quantifications restent le plus souvent un exercice de style car les paramètres correspondants ne trouvent pas leur place dans les modèles pluie-débit, dont les paramètres sont la plupart du temps des coefficients issus d'une régression. Les concepts de la géométrie fractale, qui connaissent quelques applications dans ce domaine, sont susceptibles d'asseoir la modélisation des bassins versants sur des paramètres dont la signification physique est indiscutable.

Drainage : simulation d'un réseau par un objet fractal

Dessin : Drainage : simulation d'un réseau par un objet fractal

Objet fractal de dimension 2, susceptible de simuler un réseau de drainage (d'après B. Mandelbrot, 1975). 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Le bassin versant est le siège de deux phénomènes, intimement liés mais qu'il convient de distinguer : la propagation des ondes hydrauliques provoquées par les pluies et le transport de l'eau qu'elles apportent. Cette distinction n'a rien de byzantin. Si on se préoccupe de reconstituer les débits d'eau à l'exutoire d'un bassin versant à partir des hauteurs de pluie, et cela a été longtemps le souci principal des hydrologues, il suffit d'étudier la propagation à travers le bassin, qui agit alors comme un filtre, de l'onde hydraulique provoquée par la pluie. Il n'est alors pas nécessaire de connaître le cheminement des molécules d'eau participant au débit. Les lois régissant l'écoulement – équation de diffusivité issue de la loi de Darcy en milieu souterrain, équation de Barré de Saint-Venant en rivière – concernent d'ailleurs les charges et ne permettent pas le suivi des particules fluides. Mais si l'on se préoccupe de reconstituer le débit et certaines de ses caractéristiques physico-chimiques (concentrations en nitrates, par exemple, qui suscitent bien des inquiétudes), déterminer le cheminement des molécules d'eau à travers le bassin devient une nécessité supplémentaire, car ce cheminement déterminera l'histoire géochimique de l'eau et, partant, ses caractéristiques physico-chimiques.

Une telle séparation de l'hydrogramme (courbe du débit en fonction du temps) est possible expérimentalement grâce aux techniques utilisant les isotopes naturels de l'oxygène (18O) et de l'hydrogène (2H ou deutérium, 3H ou tritium), qui réalisent un marquage naturel de la molécule d'eau. Ces techniques mettent généralement en évidence une participation des eaux d'origine souterraine au débit plus importante que celle qui est traditionnellement déterminée par des manipulations purement formelles sur l'hydrogramme. Ce constat expérimental ne met cependant pas en cause l'existence du phénomène de ruissellement superficiel, qui prend naissance localement dès que l'intensité de la pluie est supérieure à la capacité d'infiltration du sol et qui est nécessairement associé aux crues les plus importantes.

Le premier modèle hydrologique moderne est certainement celui de l'hydrogramme unitaire. Sans qu'il soit possible de le développer ici, nous signalerons simplement qu'il suppose que la transformation permettant de passer de la pluie nette, celle qui ruisselle, au débit est une transformation linéaire. L'hydrogramme unitaire est la réponse en débit du bassin à une averse unitaire, apportant une unité de volume d'eau uniformément répartie sur le bassin pendant une durée suffisamment petite devant le temps de concentration du bassin (maximum de la durée nécessaire à une goutte d'eau pour parcourir le chemin hydrologique entre un point du bassin et l'exutoire de ce dernier).

On peut identifier l'hydrogramme unitaire, qui apparaît alors comme une fonction de transfert, à partir d'un couple hyétogramme-hydrogramme, par déconvolution (le hyétogramme est la courbe représentant l'intensité de la pluie en fonction du temps). Cette fonction de transfert permet alors, par convolution, de calculer l'hydrogramme afférent à un hyétogramme donné. La reconnaissance, qui est presque une découverte, de l'extrême variabilité des champs pluviométriques mais aussi de l'évapotranspiration et des caractéristiques des bassins, de même que l'approfondissement des études concernant le transport de l'eau dans les bassins ont passablement lézardé l'édifice de l'hydrogramme unitaire et, en tout cas, rogné ses prétentions théoriques. Il apparaît davantage aujourd'hui comme un modèle conceptuel, construit à partir d'une image de la réalité plutôt qu'à partir de bases physiques indiscutables.

Bilan hydrologique d'un bassin versant

Sous sa forme la plus générale et pour une période déterminée (mois, année), ce bilan s'exprime, en volumes, par une équation de continuité de la forme :

dans laquelle E représente le total des apports hydriques de toute sorte au système considéré, S l'ensemble des volumes d'eau sortant du système, ΔR la variation des stocks d'eau existant dans ce dernier entre le début et la [...]

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Précipitations : valeurs pour différents intervalles de temps

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  • : docteur ès sciences Maître de recherche à l'école nationale supérieure des Mines de Paris
  • : Conseiller scientifique à la Direction des études et recherches, Electricité de France, professeur à l'Ecole normale du génie rural, des eaux et des forêts.

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Pour citer l’article

Pierre HUBERT, Gaston RÉMÉNIÉRAS, « HYDROLOGIE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 01 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/hydrologie/