débit, régime, crue, étiage1...variation du niveau de l’eau dans le lit en fonction de la nappe...

Débit, régime, crue, étiage


• Introduction:– Rappel : les bassins versants, les versants � écoulement d’eau

Écoulement : bassins versants - versants

Le bassin versant

Le transfert d’eau des versants au lit

Au niveau du versant

Écoulement superficiel

Drainage vertical et drainage oblique



– Concentration des eaux dans les lits… la plupart du temps = affleurement de nappe

Une interconnexion entre la nappe et le lit

Alimentation par les précipitationsAquifère : roche poreuse

Roche imperméableRemplissage de l’aquifère = constitution de la nappe

Cours d’eauSource

variation du niveau de l’eau dans le lit en fonction de la nappe



– Concentration des eaux dans les lits… la plupart du temps = affleurement de nappe

– Mais écoulement fluvial : • Cours d’eau pérennes et cours d’eau intermittents• Pour un même cours d’eau, forte variation de

l’écoulement

� Écoulements variables… les débits


• I – le débit• II – le régime• III – la crue et l’étiage

I – le débit

• A – l’écoulement fluvial• B – les approches du débit• C – les paramètres du débit de sa

variabilité spatiale et temporelle

A – l’écoulement fluvial

• 1) les types d’écoulement– Pérenne– Spasmodique (la question de l’aréisme)

• 2) l’écoulement dans le lit– Laminaire– Turbulent

• 3) les paramètres de l’écoulement dans le lit– La pente du lit � énergie cinétique– La largeur et la forme (rugosité) : le rayon hydraulique

Écoulement pérenne : fleuve de Valdivia (Chili)

Permanence de l’écoulement même si variation

L’écoulement spasmodiqueLe Jabron, Alpes de Haute Provence

Fortes fluctuations du débit

Écoulement temporaire, oued du sud tunisien

Les types d’écoulement dans le lit

Écoulement laminaire : Faiblesse des rugosités,Pente régulière et faible

Écoulement turbulent : Rugosités,Pente irrégulière et forte

L’écoulement est influencé par la forme, la géométrie du lit

Un lit rocheux, +/- en gorge, pente forte � pas ou peu d’écoulement en provenance des versants, souvent spasmodique, souvent temporaire

La Seine vers le Havre vue depuis le plateau dominant le marais Vernier

• Un lit en plaine alluviale

L’écoulement dans le lit est déterminépar la pente longitudinale

Pente forte : turbulences, écoulement rapide, souvent spasmodique

Pente faible : écoulement laminaire, écoulement lent, souvent plus régulier

L’écoulement est déterminé par les forces de frottement exercées par le lit

a

b

Dissipation de l’énergie

Périmètre mouillé

Section mouillée

Le rayon hydraulique = section mouillée/périmètre mouilléEx.:a) 1m + 20 m + 1m = 22m � 20 / 22 = 0,9b) 4m + 5m + 4m = 13m � 20/13 = 1,54

Plus grande fluidité

B – les approches du débit

• 1) définition du débit• 2) la mesure instantanée du débit dans le

chenal• 3) la courbe de tarage• 4) module, débit spécifique et coefficient

mensuel de débit

Le débit

• C’est la quantité d’eau (en litre ou en m3) qui passe en un lieu par unité de temps (en général la seconde)

• Exprimé en m3 / s ou litre / s



chenal et la courbe de tarage• 3) module, débit spécifique et coefficient

mensuel de débit

La mesure du débitSur un cours d’eau, par mesure ponctuelle, il suffit de :•Connaître la vitesse d’écoulement en m/s (flotteur ou moulinet)•déduire le débit de l'épaisseur de la lame liquide s'écoulant au-dessus du déversoir, placé en travers de l'écoulement.

1m1m

1m

1 sec

Débit (ql) = distance x profondeur x largeur / temps = ql m3 / s

Exercice : écoulement d’un flotteur en 4secondes sur un chenal de 15,5m, profond de 50cm et large de 4m réponse : 7,75 m3 / s

Construction d’une courbe de tarage

Pour une section d’un cours d’eau, la courbe de tarage donne la relation entre la hauteur du niveau d’eau relevé sur une échelle limnimétrique et le débit. La courbe de tarage permet de ramener la mesure du débit à celle de la hauteur

1m2m

• 4 secondes sur un chenal de 15,5m, profond de 50cm et large de 4m = 7,75 m3/s • 4 secondes - - - - 15,5m, - - - 1 m - - - - 4m = 15,5 - -• 4 secondes - - - - - 15,5m, - - - - 2 m - - - - 4m = 31 - -

Échelle limnimétrique

Construction d’une courbe de tarage

1248

108,57

936

77,55

624

46,53

312

15,51

7,750,5

débitm

0

20

40

60

80

100

120

140

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

hauteur en m

débi

t en

m3/

s

Observations réelles

Extrapolations statistiques

Construction d’une courbe de tarageMais en général, la vitesse augmente lorsque la quantitéécoulée croît …

49681

289,33333371,5

18662

140,90909152,2

103,33333342,4

71,538461532,6

41,333333323

17,714285713,5

7,750,54

débitmsecondes

0

100

200

300

400

500

600

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

hauteur en m

débi

t en

m3/

s

Principe d’une station de jaugeage



chenal• 3) module, débit spécifique et coefficient

mensuel de débit

Le module

• C’est la valeur moyenne de l’écoulement: – Le débit instantané est l’écoulement calculé

en un point donné et à un moment donné– Il existe des débits journaliers et donc des

débits moyens journaliers (calculés à partir de séries statistiques de valeurs instantanées)

– Il existe donc aussi des valeurs mensuelles moyennes et des valeurs moyennes des débits annuels

– On parle donc de module mensuel, annuel…

BALLANCOURT SUR ESSONNE03069000

Commune :BALLANCOURT-SUR-ESSONNE (91045)

Département :ESSONNE

Cours d'eau :essonne, l' (riviere) (F45-0400)

Lieu de mesure :essonne, l' (riviere) (F4590400)

Nature des eaux :Surface

IDENTIFICATION :

Le débit spécifique

• C’est la valeur du débit rapportée à la surface du bassin versant… elle est exprimée en l/s/km²

• Ex. l’Essonne à Ballancourt écoule en module brut moyen annuel 7,45 m3/ s, rapporté au BV qui est de 1870 km², cela fait un débit spécifique de:

• 7,45 / 1870 x 1000 (pour passer en l) = 3,98 l/s/km²

Intérêt du débit spécifique

• Le débit spécifique est très utile lorsque l’on veut calculer deux cours d’eau de taille différente

• L’Amazone qui écoule 200 000 m3/s sur un BV de 6,3 millions de km² a un débit spécifique de 31,7 l/s/km²

• Le Nil 3000 m3/s sur 3 M. km² � 1l/s/km²• L’Essonne à Ballancourt 3,98 l/s/km²

Signification du débit spécifique

• Les cours d’eau de plaine des régions tropicales (Amazone) ont une grande abondance et se caractérisent par un Qs >20 l/s/km²

• Les cours d’eau de plaine des régions tempérées : 5 à 10 l/s/km²

• Les cours d’eau de région sèche : < 1l/s/km²• Régions de montagne : valeurs peuvent excéder

50 à 100 l/s/km²• … on le verra plus loin, en période de crue il y a

des valeurs importantes…

Exercices sur Qspé

• Seine à Austerlitz : 266 m3/s pour 43800 km²

• Somme à Abbeville : 34 pour 5560

• Arve à Chamonix 12,7 pour 205

• Elorn, E. de Brest : 3,55 pour 202

• Seine : 6 l/s/km²

• Somme : 6,1 l/s/km²

• Arve : 62 l/s/km²

• Elorn : 17,5 l/s/km²

Le c.m.d (coefficient mensuel de débit)

• Très utilisé dans l’analyse des régimes, il correspond au rapport entre le débit mensuel et le débit annuel

• Ex., pour l’Essonne à Ballancourt, si le module annuel est de 7,45 m3/s (=1), le module de janvier étant de 8,32 m3/s, cela fait un coefficient mensuel de débit de 1,11 ; en septembre le débit est de 5,4 m3/s, cela fait un c.m.d de 0,72

C – les paramètres du débit et sa variabilité spatiale et temporelle

• 1) les précipitations : – Le couple pluie/évaporation – débit : le rôle des

nappes et de leur reconstitution– La relation théorique BV/précipitation

• 2) la taille et la configuration du bassin versant– Ampleur de l’alimentation : relation taille/écoulement– Le temps de transfert

• 3) la configuration géomorphologique du bassin versant– La nature des systèmes de pente– La nature des roches : une plus ou moins grande

capacité de stockage

1) Le couple pluie - débit

• Les eaux écoulées dans un cours d’eau proviennent des précipitations provoquées sur son BV par l’intermédiaire des aires et les réservoirs de stockage et de transfert plus ou moins importants que constituent les roches et les sols des versants

Un moyen d’évaluer théoriquement la quantitésusceptible d’être écoulée : le calcul de l’apport

d’eau au cours d’un épisode pluvieux

Si 1mm de pluie = 1 L d’eau par m², alors la valeur de l’écoulement théorique est :Ql = Hauteur d’eau en mm (= litres) . S² du BV / le temps en secondes

Ex. : sur un BV de 11,3 km², il tombe 50 mm en 24h,

* Par km² : il y a 50 L/m² x 1 km² (= 1 000 000 m²), ce qui fait 50 000 000 litres, soit 50 000 m3

* En 24 h, il y a 24 x 3600 secondes = 86 400 secondes

Donc :50 000 m3 x 11,3 / 86 400 = 6,54 m3/s

Attention c’est une estimation, un débit théorique !

Toutefois, on ne peut généralement pas considérer que la totalité des eaux précipitées sur le bassin versant sont ruisselées puis acheminées au lit du cours d’eau : une partie est soit évaporée soit évapotranspirée par la végétation qui couvre le bassin versant

Ainsi, si au lieu des 6,54 m3/s, on obtient 5,88 m3/sÀ partir de l’opération inverse on obtient la valeur de la tranche évaporée :Soit,5,88 x 86 400 / 11,3 = 44 958 m3 par km² � cela fait

environ 45 litres ou mm (44 958/ 10 000 m²)… la tranche d’eau évapotranspirée dans le BV a été de 5 mm

Ce mode de calcul peut être utile • si on veut évaluer (par défaut) les quantités précipitées si l’on connaît le débit lors d’une crue • ou inversement si l’on veut évaluer le débit alors que l’on connaît les précipitations

Ex. un débit de crue de 35 m3/s dure 10h sur un BV de 11,3 km²Les précipitations peuvent être évaluées à :* 35 x 36 000 / 11,3 = 111,5 mm

Ex.: il tombe en 24h 200mm de pluie sur un BV de 11,3 km²Le débit théorique est * 200 000 x 11,3/ 86400 = 26,15 m3/s


• 1) les précipitations : – Le couple pluie/évaporation – débit : le rôle des

nappes et de leur reconstitution– La relation théorique BV/précipitation

• 2) la taille et la configuration du bassin versant– Ampleur de l’alimentation : relation taille/écoulement– Le temps de transfert

• 3) la configuration géomorphologique du bassin versant– La nature des systèmes de pente– La nature des roches : une plus ou moins grande

capacité de stockage

La valeur du débit varie en fonction de la taille du BV

0,1

1

10

100

1000

0 1 2 3 4 5 6 7

taille du BV en millions de km²

vale

ur d

u dé

bit e

n m

illie

rs d

e m

3

12,52,975Ob

2,81,125Niger

17,22,6Iénisséi

11,60,975Gange

301,8Yangtse

39,24Congo

19,30,58Brahmapoutre

111,85Amour

2006,3Amazone

9,61,8Mackenzie

0,640,65Colorado

6,30,8Danube

1,50,7Hoang Ho

1,60,5Dniepr

20,1Rhône

0,3660,0443Seine

module en milliers de m3/s

superficie du BV en millions de km²

Le temps de transfert …

• Dépend évidemment de la taille du B.V. : les cours d’eau alimentés par un petit B.V. ont un temps de transfert beaucoup plus rapide que les grands cours d’eau

Le temps de transfert dépend aussi de la morphologie du B.V.

• La pente : plus la pente est forte, plus le temps de transfert est rapide. A surface de B.V. égale le temps de transfert peut être multiplié par 2 ou 3 si la pente diminue de plus de 5 à 6°


• La densité de drainage : elle s’évalue en faisant le rapport entre la distance des chenaux et la S² du B.V.:– Dd = dist. Km / S² km²

– Cette Dd est tributaire de la nature des roches– < 1 dans les roches les plus perméables

comme certains calcaires

– Entre 2 et 5 pour les roches imperméables voire plus dans certaines situations


• La forme du B.V. : plus un bassin versant est allongé, plus le temps de transfert de l’amont vers l’aval est long ; la convergence est rapide dans le cas d’un BV d’allure circulaire


• 1) les précipitations : – Le couple pluie/évaporation – débit : le rôle des nappes et de

leur reconstitution– La relation théorique BV/précipitation

• 2) la taille et la configuration du bassin versant– Endoréisme et exoréisme– Ampleur de l’alimentation : relation taille/écoulement– Le temps de transfert

• 3) la configuration géomorphologique du bassin versant– La nature des systèmes de pente– La nature des roches : une plus ou moins grande capacité de

stockage

Le débit dépend de variables géomorphologiques

• La pente :– Du B.V. qui détermine le temps de transfert

des eaux au lit– Du lit : qui détermine l’énergie cinétique

transmis au cours d’eau

Le débit dépend de variables géomorphologiques

• La nature des matériaux rocheux :– La perméabilité et la porosité des roches sur

lesquelles sont installés les cours d’eau jouent un rôle sur le stockage de l’eau par les aquifères et la restitution plus ou moins décalée dans le temps des nappes au cours d’eau

débit, régime, crue, étiage1...variation du niveau de l’eau dans le lit en fonction de la nappe...

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