CHAP 2. Le bassin versant

I. Définitionsdifférents types de BV, délimitations.

II. Caractéristiques morphométrique d’un BV

III. Caractéristiques Pédo-géologique

bassin versant (BV) = unité spatiale de référence en hydrologie

Un BV est toujours associé à :- un cours d’eau- une section de ce cours d’eau : l’ exutoire ou émissaire

BV = zone géographique drainée par ce cours d’eau à l’exutoire choisi

Section exutoirebv

I. Définitions

Bv topographique / hydrogéologique

Bv topo

formationperméable

Bv hydrogéologique ou réel

Coupe de terrain :

Endoreisme : BV sans exutoire superficiel, caractéristique zone aride

100

75 50

Vue en plan Vue en coupe75

BV topo : écoulement superficiel prédominant / apport souterrain

Comportement hydrologique du BV

= réponse du BV face à une sollicitationpluiequantité d’eau

s’écoulant à l’exutoire(hydrogramme)

Q(t)

Réponse caractérisée par :- vitesse de réaction du BV- intensité de la réponse

Elle dépend :

-des caractéristiques morphométrique du BV-des pluies-des conditions initialesd’humidité du BV

Réponse caractérisée par :- vitesse de réaction du BV

- intensité de la réponse

« mesurée » parLe temps de concentration, le temps de réponseou le temps de montée

Le débit instantané maximum

pluie

débit

temps

temps

tréponse

tmontée

Temps de concentration et courbes isochrones

1.∆t

4.∆t 3.∆t2.∆t

A1

A4

A3

A2

A5

tc : durée la plus longue mise par une goutte qui ruisselle sur le BVpour atteindre l’exutoire

02/03/2001

Seine à Corbeil Essonnes(janvier - mai 2001)

32

32,5

33

33,5

34

34,5

35

35,5

01/01/200

107

/01/2001

13/01

/2001

19/01

/2001

25/01

/2001

31/01

/2001

06/02/200

112

/02/2001

18/02/200

124

/02/200

102

/03/200

108

/03/200

114

/03/200

120

/03/2001

26/03/200

101

/04/2001

07/04

/200113

/04/200

119

/04/200

125

/04/200

101

/05/2001

07/05/200

113

/05/2001

19/05

/200125

/05/200

131

/05/200

1

Haut

eur N

GF

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Plui

e jou

rnali

ere m

m/j

Bretigny sur Orge (Météo France) Seine à Corbeil Essonnes (Diren Ile de France)

max : 35,17 NGF (3,91) le 19/03/01

Cote de vigilance

Cote d'alerte

01/06/200115/04/2001

1.Exemple :Niveau de la Seine à Corbeil-Essonne(janvier à mai 2001)

2.Exemple :Gardon à Anduze, septembre 2002

Cas 1 Cas 2tm ≈15 j 6h et 4htr ≈8 à 12j 5-6h

0

5

10

15

20

25

30

35

1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45

Temps (heures)

Plui

e (m

m)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000D

ébit

(m3/

s)

-limites du BV : identifiées à partir des courbes de niveauxlignes de crêtes, sommets et thalwegs

Délimitation des frontières d’un BV topo

- délimitation manuelle avec cartes topo IGN ou automatique avec modèle numérique de terrain (MNT)

Lignes de crêtes

thalweg

Exemple 1/25000 : courbe de niveau ∆z = 5 m1/50000 : ∆z = 10 m

Exemple :le vidourleà St Hippolyte du Fort

Carte IGN 1/25000

MNT carte numérique

i

Z1 Z2

Z3Z4

Maille i :calcul des directions d ’écoulements

calcul du nombrede maille drainées en i

Réseau hydrographiquelimites BV

Modèle numérique de terrain

BV du Pallas à Mèze

II. Caractéristiques morphométriques

- Aire (km²) et Périmètre (km)

Face une sollicitation fixée, la réponse hydrologique d’un BV est influencée par différentes caractéristiques.

Indice de Gravelius : G= Périmètre du BV/ Périmètre du cercle de même surfaceG=

-Forme d’un BVdécrite par

A2P∏

Longueur du rectangle équivalent : L=4

162 APP −+

Effet de la formedu BV sur les écoulements(Musy, 2004)

-Le relief Influence les écoulements : précipitations et t° varie avec l’altitude

vitesse des écoulements varient avec la pente …

Altitude moyenne :

bv

iii

A

.zA∑

Courbe hypsométrique décrit le relief :répartition des surfaces du bassin en fonction de l’altitude

Aire du BV

Altitude

Ai Abv (km²)Ai/Abv 100 (%)

zi

zmax

zmin

Ai : aire du BV dont l’altitude est au moins zi

Les pentes

Pente moyenne → indication sur la durée du ruissellement

Indice de pente global : Ig = ∆Z/L ∆Z=Altitude maxi – Altitude mini, L: longueur du rectangle équivalent

Pente moyenne pondérées par la surface :

ALcD.

I=

Avec D : dénivelé des courbes de niveauxLc : longueur des courbes de niveauxA : aire du BV

Laborde, 1998

- Le réseau hydrographique

= ensemble des cours d’eau qui participent à l’écoulement(artificiel ou naturel, temporaire ou permanent)

Structure du réseau hydrographique dépend de :

-La géologie : aptitude à l’érosion-Du Climat : dense en région humide et inexistant en zone aride-De la pente : détermine les caractéristiques érosives ou sédimentaires d’un cours d’eau-De l’influence humaine : barrage, endiguement, agriculture modifient le réseau naturel

-Un cours d’eau sans affluent est d’ordre j=1-À une confluence entre 2 cours d’eau d’ordre i etjle cours résultant est

d’ordre le max(i,j) si i≠jd’ordre j+1 , si i=j

À chaque cours d’eau → ordre j1

11

1

1

1

1

2

2

2

2

23

Ordre d’un cours d’eau : classification topologique de Strahler

On observe souvent que le rapport :

Rb = Ni/Ni+1 est indépendant de l’ordre iavec Ni : nombre de cours d’ eau d’ordre i

Rb : rapport de confluence

Chow, 1988

Effet du rapport de confluenceSur l’hydrogramme de crue(toutes choses égales par ailleurs) :

Densité de drainage :

Dd = où Li est la longueur du cours d’eau i, Dd exprimée en km/km²bv

ii

A

L∑

Dd ≈ 3 à 4 : réseau à développement très limité à Dd ≈ 1000 réseau très ramifiéSol perméable, couvert végétal,Peu de relief

Peu de végétation, relief marqué

Rque : densité hydrographique F= avec Ni nbre de cours d’eauF=a.Dd² bv

ii

A

N∑

Longueur du cours d’eau principal : entre l’exutoire et la limite du BV le long des cours d’ordre le plus élevé et en extrapolant vers la limite du BV

Profil en long d’un cours d’eau

l :Longueur du cours d'eau (km)

Z(l) :cote de la ligned'eau (m)

Tronçon uniforme de pente I(i) de longueur L(i)

Vue en plan Profil en long

•Origine

l1

• M1

l1

Z(M1)

Origine

amont

aval

Profil en travers Vue en plan Profil en travers de la section S

Section S

Axe X

Altitude du radier (cotes NGF)

Xi

ZiMi

X

• Mi

•Origine

Origine

niveau de l'eau

III. Caractéristiques Pédo-géologique

Occupation du sol

- Couvert végétal →Interception d’une partie du volume des pluies →Limite l’érosion

Indice de couverture forestière = Surface forêt / aire du BV

- Surface urbanisée

→ Augmente volume écoulé → Augmente la vitesse de réaction du BV

- Surface d’eau libre

= lac, cours d’eau→ Amortissement ou laminage des crues par stockage temporaire

- Couverture neigeusesur les BV d’altitude→ Effet cumulatif : pluie + fonte ⇒ augmente les écoulementsMême indice que pour les couverture forestières

Exemple :La Rouvière (1971)(92 km²- 13.9 Mm3

Conqueyrac (1982)(82 km² 11.8 Mm3

Ceyrac (1968)(46 km² 6.2 Mm3

Sommières≈640 km²

Amortissement d’une crue par laRetenue de la Rouvière sur le Crieulon

0100200300400500600700800

0 10 20 30t en heures

Q m

3/s

Nature du sol

Influence – la vitesse de montée de crue- le volume des écoulements

Type de sol Couverture du bassinversant

Cultures Pâturages Bois, ForêtsA fort taux d'infiltrationSols sableux ou graveleux 0.20 0.15 0.10

A taux d'infiltration moyenLimons et sols similaires 0.40 0.35 0.30

A faible taux d'infiltrationSols lourds, argileux

Sols peu profonds sur lesubstratum

0.50 0.45 0.40

Milieu imperméable Extrait du SCS

Quantification du ruissellement sur un BV :

Coefficient de ruissellement : Cr= Volume de pluie qui ruisselle / Volume total de pluie

Exemple : influence de la nature (et occupation) du sol sur le ruissellement

Ex : septembre 1958 sur le Vidourle – Influence de l’historique pluvieux

700.00 710.00 720.00 730.00 740.00 750.00 760.001840.00

1850.00

1860.00

1870.00

1880.00

1890.00

1900.00

700.00 710.00 720.00 730.00 740.00 750.00 760.001840.00

1850.00

1860.00

1870.00

1880.00

1890.00

1900.00

0 mm

50 mm

100 mm

150 mm

200 mm

250 mm

300 mm

350 mm

400 mm

450 mm

500 mm

600 mm

1000 mm

29 septembre 1958Lame de pluie 100 mm sur le Vidourle à Mars.Sommières Qmax =300 m3/s – Cr=30-40%

03 octobre 1958Lame 100 mm sur le Vidourle à MarsillarguesSommières Qmax =1800 m3/s – Cr=70%

Pour un sol de nature donnée, l’humidité du sol avant la pluie influence la réponse du BV

Humidité du sol déduite des précipitations antérieures à une pluie : IPA

Hauteur de pluie tombée sur n jours avant l’événement pluvieux étudié

0

2

4

6

8

10

12

0 5 10 15 20 25 30

temps

Q m

3/s

sable argile

Exemple -influence de la nature de sol

BV de 540 km² soumis à une pluie donnée avec différents sols (modèle SCS + HU)

0

1

2

3

4

5

6

7

0 5 10 15 20 25 30

temps

Q m

3/s

BV naturel 20% imperméabilisé

Géologie du sous-sol

Perméabilité ou imperméabilité du substratum → caractéristiques du substratum influençant les écoulements de surface

Sous-sol

Imperméable Perméable

Pour une même pluie Crue + rapide Crue - rapide

Débit d’étiage - Important + important- de stock souterrain + de stock

En schématisant (hors Karst) :

Schéma simplifié de l’influence du sol et sous-sol sur les écoulements

Sans tenir compte des - caractéristiques des pluies - conditions initiales d’humiditésur un BV

Solperméable imperméable

Sous-sol

- Ecoulement superficiel⇒ crues rapides

(risque inondation)

- Pas de réserve souterraine⇒ en saison sèche : débit faible

(risque sécheresse)

perméable imperméable

Augmentationde l'humidité du soljusqu'à saturation

⇒ comportement similaire

au sol imperméable

Nappe phréatiqueou

acquifèregénéralisée qui

ne communique pas avec l'extérieur :

Ecoulement souterrain,⇒ Crue rare,

peu violante

Réserve en eau⇒ risque de sécheresse

= + faible

Nappe ou acquifèrelimitée, en liaison

avec le réseau hydrographique

Ecoulement souterrain+

Ruissellement⇒Crue lente

Réserve souterrainelocalisée

Quelques exemples :

Rimbaud 1.5 km²

Valescure 9.2 km²

Pluie 192 mm

Rimbaud 1.5 km²

Vaubarnier 1.5 km²

Pluie 197 mm (même événement)

0500

100015002000250030003500

1 14 27 40 53 66 79 92 105

118

131

144

h

Q l/

s

0

5

10

15

20

mm

/h

0500

100015002000250030003500

1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100

(h)

Q l/

s

05101520253035

mm

/h

Influence de la forme du BV