Etude de la dynamique de fonctionnement Etude de la dynamique de fonctionnement hydrologique des bassins versants torrentiels hydrologique des bassins versants torrentiels

marneux. Apport du traçage naturelmarneux. Apport du traçage naturel

Application aux Bassins Versants de Recherche d’Expérimentation Application aux Bassins Versants de Recherche d’Expérimentation (BVRE) de Draix, Alpes-de-Haute-Provence, France(BVRE) de Draix, Alpes-de-Haute-Provence, France

Alexandre CRASAlexandre CRAS

Utilisation coordonnée des données disponibles

Enjeux de recherche

Processus deformation

des écoulements?

Grande diversité des processus (reconnue depuis

années 60-70)

Où va l’eau quand il pleut ?Quels sont les cheminsempruntés par l’eau ?

AUJOURD’HUIJUSQU’À PRESENT

Problème : complexité difficile à intégrer dans

les modèles

vision intégratrive des processus à l’échelle du BV

Objectifs

Processus deformation

des écoulements?

Organisation temporelle

Organisation spatiale

BVRE de Draix

vision dynamique

modèle perceptuel puis conceptuel de fonctionnement hydrologique

Processus d’écoulement

Décade hydrologique (années 60-70)

Formalisation

écoulement en macropores (pipe or macropore flow)

SATURATION PAR LE HAUT (infiltration excess overland

flow) = Horton

SATURATION PAR LE BAS (saturation excess surface runoff) +

zones sources variables

écoulement de subsurface (translatory flow, throughflow)

Intumescence de nappe (groundwater ridging)

Effet piston

pluie

pression

Transfert d’eau

Processus et facteurs hydrologiques

1. Forçage atmosphérique et climat

2. Conditions initiales

3. Propriétés hydrologiques et variabilité

4. Caractéristiques géométriques

FacteursVariabilité des processus contrôlée

BV : système dynamique NL complexe

Traçage – Modèle de mélange

Eau ancienne

Eau souterraine (réserve hydrologique)

Eau du sol (réserve hydrique)

Q

t

Eau ancienne

Eau nouvelle

Q

t

Eau nouvelle

Eau du sol

Eau souterraine

Q = Qp + Qe

C·Q = Cp·Qp + Qe·Ce

Mélange à 2 composantes :

Mélange à 3 composantes :

Limites des modèles de mélange

Concepts explicatifs :

effet piston & ondes cinématiques (Renshaw, 2003), échange eau matricielle et eau des macropores (McDonnell, 1990)

Conservativité Non prise en compte du transfert

« Comment les bassins stockent-ils de l’eau pendant de longues périodes et la déstockent-ils ensuite rapidement en crue? »

(Kirchner, 2003)

+

les processus de stockage-déstockage sont sans doute largement méconnus

Peu informatif : pas accès aux composantes mécaniques

+

Modèle perceptuel

D’après (Seibert & McDonnell, 2002)

Conceptualisation de réservoirs à partir d’une connaissance approfondie. Cas de Maimai (NZ)

D’après (McGlynn & McDonnell, 2002)

Modèle perceptuel Modèle conceptuel

Changement d’échelle

→ Objectif majeur de recherche : fossé entre échelle versant et grand BV

Complexité des processus

Simplification

Complexité des scénarios hydrologiques rencontrés

VersantBV

Modèle perceptuel

Cadre scientifique

BVRE de Draix gestion Cemagref

Site pilote processus érosifs et hydrologiques

Réseau d’étude Recherche

pluridisciplinaire

GIS (1998)

PNRH

Label ORE

Digne-les-Bains

La Bléone

Le Brusquet

Draix

Le Bouinenc

Site d’étudeSite d’étude

La RoubineLe Laval

Le Moulin

Cheval Blanc

Sommet de CucuyonSommet de

Couard

Crête de la Blache

Pompe

1 km

Organisation générale du paysageOrganisation générale du paysage

Domaine infra-périglaciaire (versant Cheval Blanc) : effet cryo-érosion et avalanchesDomaine infra-périglaciaire (versant Cheval Blanc) : effet cryo-érosion et avalanches

Corniche des calcaires titoniquesCorniche des calcaires titoniques

Domaine des badlandsDomaine des badlands

Surface : 0.133 haSurface : 0.133 ha

pente moyenne : 75 %pente moyenne : 75 %

Surface dénudée : 79 %Surface dénudée : 79 %

Badlands - RoubineBadlands - Roubine

Bassin de la RoubineBassin de la Roubine

Terres Noires Callovo-OxfordienTerres Noires Callovo-Oxfordien

Caractéristiques physiques et mesures

Bilan des caractéristiques physiques principales des BV

Mesures effectuées aux exutoires (d’après Richard et Mathys, 1999)

Surface (ha) % terrain nu Pente moyenne (%)

Laval 86 68 58

Moulin 8.0 54 30

Roubine 0.133 79 75

Brusquet 108 13 53

0

50

100

150

200

250

jan

vie

r

févr

ier

ma

rs

avr

il

ma

i

juin

juill

et

ao

ût

sep

tem

bre

oct

ob

re

no

vem

bre

dé

cem

bre

mm moyenne 1983-2003 année 2002

990 mm avec 200 j sans pluie

Climat et pluviométrie

-15,0

-5,0

5,0

15,0

25,0

35,0

01/01 02/03 01/05 30/06 29/08 28/10 27/12

T°C

Max TEMP Min TEMP

0°C

Influences méditerranéenne et montagnarde

+ fortes intensités instantanées

0

20

40

60

80

100

120

4/08/0412:00

4/08/0413:12

4/08/0414:24

4/08/0415:36

4/08/0416:48

4/08/0418:00

4/08/0419:12

intensité (mm/h) 5'

Année 2003

Hydrologie générale Crues violentes : Qspé ++

Ex : septembre 1994, Qpointe = 20 m3/s/km² au Laval

Episodes principaux de mai à novembre

+ orages violents et brefs en été

Temps de montée : tmontée Roubine ~ 5 min - tmontée Laval ~ 20 min - tmontée Brusquet > 30-40 min

2002

0

50

100

150

200

250

300

janv févr mars avr mai juin juil août sept oct nov déc

ETP et P en mm

ETP mensuelle P Laval

ETP2001= 780 mm

ETP2002 = 760 mm

ETP2003= 830 mm

ETP

Transports solides et érosion

Concentrations en sédiments (MES)

Laval > 300 g/l 800 g/l (août 1997)

Moulin < 400 g/l – Roubine < 300 g/l

Brusquet ~ 30 g/l

Erosion annuelle :

En moyenne : 100 t/ha/an soit 12 mm de marnes désagrégées

Effet de seuil :

P – et C ++ (800 g/l pour une pluie de 10 mm ~)

Dépôts importants :

sur le Laval >> 400 m3/an

Piézomètre ~ 4 m

Mise en place des équipements complémentairesInvestigation hydrologique et hydrochimique à différentes profondeurs

Gouttières drainantes (10 à 60 cm)

Bougies poreuses (10 à 60 cm)

Parcelles 1 m² (surface)

Répartition des équipements complémentaires

4 parcelles de 1 m² marnes nues

Station climatique 1 piézomètre et 3 bougies poreuses

remblai + strate herbacée

Site Moulin haut 3 bougies poreuses

sous couvert végétal

Site Moulin gouttières 4 gouttières

sous couvert végétal

+ 1 gouttière à l’exutoire du Laval et 2 BP au sommet de la Roubine

5 gouttières – 8 bougies poreuses – 4 parcelles – 1 piézomètre

Collecteur séquentiel de pluie

Discrétisation par pas de 3 mm

Echantillonnage

Évènement n° Date (2002) Pluie (mm)

1 3 mai 79

2 10 mai 29

3 23 mai 36

4 5 septembre 25

5 10 octobre 35

6 14-17 novembre 150

7 et 8 21-27 novembre 80

0

50

100

150

200

250

300

350

400

05/09/0212:00

05/09/0214:24

05/09/0216:48

05/09/0219:12

05/09/0221:36

06/09/0200:00

l/s 0

10

20

30

40

50

60

70

80

mm/h

Exemple d’échantillonnage

Evènements principaux échantillonnés

Évènement n°Nombre

d’échantillons(+ basses eaux)

Laval 160

Moulin 200

Roubine 265

+ échantillonnage dans les équipements complémentaires

Paramètre Qspé (l/s/ha) C25°C pH Na K Ca Mg HCO3 Cl SO4

unité l/s/ha µS/cm _ mmol/l id. id. id. mmol/l id. id.

moyenne 4,2 887 7,9 1,1 0,05 2,4 2,2 2,1 0,03 3,9

ecart type 5,8 340 0,1 0,7 0,02 0,9 1,0 0,8 0,03 2,0

CV (%) 137 38 2 70 51 40 44 37 77 52

min 0,0 211 7,5 0,1 0,00 0,6 0,4 0,9 0,01 0,4

max 36,6 1800 8,1 4,2 0,15 5,6 5,1 5,3 0,16 11,1

Bassin du Moulin

Caractéristiques hydrochimiques

Propriétés statistiques simples :

Faciès hydrochimiques

Diagramme de Piper Bassin du Moulin – 185 échantillons

Ca Cl+NO30100 0 100

0 0

100

100

Pôle calcique et magnésien

hypersulfaté

Pôle calcique et magnésien

plus bicarbonaté

→ Variabilité des proportions des anions >> celle des cations

Dynamique de minéralisation - Lixiviations

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 0,5 1 1,5 2

t (jours)

conductivité (µS/cm)

p = 40 µS/cm/j

t = 30’

→ 2 dynamiques de minéralisation :

Marnes pyriteuses

Régolite

Colluvions

Marnes en place

Efflorescences

Potentiel de minéralisation

++

-

+

Dynamique rapide (dissolution des sels) : potentiel de minéralisation

Dynamique plus lente et continue

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0

Na (mmol/l)

Ca (mmol/l)

avant évènement 1 évènement 1 évènement 2évènement 3 évènement 4 évènement 5évènement 6 évènement 7 évènement 8

Bassin du Laval SiO2.126 éch. sur les 3 BV

Effet de seuil en Ca, Na

minéralisation en Na, SiO2

(cinétique lente)

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20

SiO2 (mmol/l)

Ca (mmol/l)

avant évt 1 L évt 1 R évt 1L évt 3 M évt 3 R évt 3

Effet de seuil en Ca, SiO2

Basses Eaux

Minéralisation et temps de résidence

Temps de résidence ++

Eléments Na, SiO2

Hautes Eaux

Dynamique de minéralisation rapide

11,0

12,0

13,0

14,0

-3,5 -3,3 -3,1 -2,9 -2,7 -2,5

log(pCO2)

log(Ca)+2pH

Laval droite sat (25°C) droite sat (0°C) évènement 1

y = 1,15x - 0,94

R2 = 0,95

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0

Ca+Mg (mmol/l)

SO4

(mmol/l)

Eléments Ca, Mg, SO4

Eléments Ca, HCO3

↑ SO4 = ↑ Ca

Saturation vis-à-vis de CaCO3

Bassin du Moulin

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

HCO3 (mmol/l)

SO4 (mmol/l)

avant évènement 1 évènement 3 évènement 4

évènement 5 évènement 6 évènement 8

Basses eaux

Discrimination par SO4 et HCO3

Pôle « écoulement rapide »Q ++

Pôle « écoulement retardé »

Q --

DILUTIO

N

disponibilité en sels SO4↑, Ca ↑, HCO3 contrôlé par la saturation

Bassin du Moulin

T transit court

T transit long

↑ minéralisation par ↑ Ttransit

Altération des minéraux argileux (basses eaux)

Cinétique lente

Na+,K+, SiO2

Cinétique limitante

Bilan de la minéralisation

Cinétique rapide

Dissolution des sels

Ca, Mg, SO4

Stock limitant

Dissolution de CaCO3

Ca, HCO3

Saturation limitante

Contrôles géochimiques contributions des différents réservoirs hydrologiques

Traceurs difficiles à utiliser pour quantifier

Evolutions chimique et isotopique en crue

E + PContribution

E : évènementielle P : pré-évènementielle

E + P

eau peu minéralisée T transit court

3027

2421

18

15129

-14,0

-13,0

-12,0

-11,0

-10,0

-9,0

-8,0

-7,0

-6,0

12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 00:00

d18O(‰)0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600TDS (mg/l)

signal pluie signal exutoire Moulin TDS (mg/l)

Bassin du Moulin, 5 septembre 2002

eau + minéralisée T transit + long

eau très minéralisée

T résidence >> Ttransit

Ecoulement rapide Ecoulement retardé Contribution ancienne

Réserve hydrologique et hydrique

1- Réserve hydrologique « profonde » :

piézomètre remblai Basses eaux (Moulin et Laval)

2- Réserve hydrique et hydrologique superficielle :

eaux des bougies poreuses (réserve hydrique) eaux des gouttières (réserve hydrologique)

Piézomètre remblai, novembre 2002

Réserve hydrologique « profonde »

Signal piézo autour de -8.0 ‰

PIEZOMETRE

Idem 2 points en mai à -8.0 ‰

-15,0

-13,0

-11,0

-9,0

-7,0

-5,0

-3,0

-1,0

10/11/2002 15/11/2002 20/11/2002 25/11/2002 30/11/2002 05/12/2002

d18O(‰)

0

20

40

60

80

100

120

140cm, mm/j

18O piézomètre 18O moyenne annuelle

18O pluie fractionnée hauteur piézo (cm)

0,0

4,0

8,0

12,0

16,0

20,0

10/11/2002 15/11/2002 20/11/2002 25/11/2002 30/11/2002 05/12/2002

inte

nsi

té (

mm

/h)

-14,0

-12,0

-10,0

-8,0

-6,0

-4,0

-2,0

0,0

01/01/02 20/02/02 11/04/02 31/05/02 20/07/02 08/09/02 28/10/02 17/12/02

d18O(‰)

pluie Basses eaux Moulin Basses Eaux Laval modèle DM

Basses eaux

2

3

1( ) exp 1

44 pp

Tg

T DD

T

0

( )t

rC t g C t d DM : Dispersion model

T = 50 semaines

Dp = 2

0,000

0,010

0,020

0,030

0,040

0,050

0 20 40 60 80 100

τ (semaines)

g(τ)

Evaporation

Q = 10* Qétiage moyen

piézo

L

M

BP6

BP3

B2B1

BP2G

BP4BP1

0.0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

-10.0 -9.0 -8.0 -7.0 -6.0 -5.0

moyenne d18

O (‰)

écart type d18O (‰)

Bilan de la réserve hydrologique et hydrique

Tranche superficielle de sol ( < 30 cm)

Tranche de sol plus profonde ( > 50 cm)

Pôle « profond »

Basses eaux : mélange

Moyenne annuelle δ18O (‰)

T ~ 10 sem. Dp ~ 0.35

T ~ 50 sem. Dp ~ 2

T ~ 10 sem. Dp ~ 1

T math. ∞

T ~ 3 sem. Dp ~ 0.35

Modèle perceptuel des bassins

est

Axe de drainage naturel des

bassins

Roubine

Moulin, Laval

colluvions

régosol

1

2

régolite

diaclases

Marnes noires litées

3

1

34

Ecoulement de (sub-) surface rapide : ruissellement hortonien, écoulement dans le réseau hydrographique, macropores

Réserve hydrologique et hydrique superficielle : aquifère perché et eau matricielle (effet piston, intumescence…)

Réserve hydrologique profonde

4

2 Ecoulement de (sub-) surface retardé : écoulement en macropores ou stockés dans les colluvions

3

1, 2, 3, 4

2, 3, 4

(3), 4

1 composante Cp

Séparation d’hydrogrammes à 3 composantes

eau pré-évènementielle (Qp)

eau évènementielle rapidement transférée (QeQT

pour quickly transferred)

eau évènementielle retardée (QeDT pour delayed transferred)

Q = Qp + QeQT + Qe

DT C·Q = Cp·Qp + Qe

QT ·CeQT + Qe

DT ·CeDT

2 équations, 6 inconnues

Cp = constante

0

( )t

QTe rC t g C t d Ce

QT : fonction de transfert du signal pluie

0

' ' 't

DTe rC t t C t dt Ce

DT : lissage du signal pluie (stockage temporaire)

Moyenne du signal pluie depuis le début de l’évènement (t = 0) jusqu’à t 2 équations, 3 inconnues

Signal pluie

Solution au problème à 3 composantes

min , max ,QT DT QT DT QT QT DT DT QT DT QT DTe e e e e e e e e e e eQ Q C C Q C Q C Q Q C C

Après la pluie : QeQT = 0 on se ramène à un problème à 2 inconnues simple

Pendant la pluie : QeQT ≠ 0 manque une équation

Q = Qp + QeQT + Qe

DT C·Q = Cp·Qp + Qe

QT ·CeQT + Qe

DT ·CeDT

2

QT DTQT DT e ee e

C CQ Q

QT QT DT DTe e e eQ C Q C

QT DT QT DTe e e eQ Q C C ~

Hydrogramme unitaire

0

( )t

QTe rC t g C t d

2

3

1( ) exp 1

44 pp

Tg

T DD

T

g : Dispersion model (DM) - 2 paramètres :

1- T : temps de transit moyen

2- Dp : dispersion : Dp = D/vx

Signal pluie

Détermination des paramètres

( ) 0p

dgT

d 23 1 9p p pT T D D

T : temps de transit moyen

0

10

20

30

40

50

60

70

80

05/09/02 12:00 05/09/02 12:43 05/09/02 13:26 05/09/02 14:09

plu

ie (

mm

/h)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Q (

l/s

/ha

)

Tp

DM, CFF

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.0 1.0 2.0 3.0

T

Tp

/T

g()

Dp : dispersion : Dp = D/vx

2

12

1

( )1

nmeas calci i

i

nmeas measi

i

C CNash

C C

2

1

1 nmeas calci i

i

RMSE C Cn

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

Dp

Nash

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

RMSE (per mil)

1

2345

6789101112 13 14

1516

17

-7.0

-6.0

-5.0

-4.0

-3.0

-2.0

-1.0

0.0

150 200 250 300 350 400 450 500

t (min)

d18O (‰)

0

20

40

60

80

100intensité de pluie (mm/h)pluie sortie calculée

sortie mesurée hyétogramme

Qp ~ 0

500 simulations

avec Tp = 10 min (hydrogramme)

Bassin du Moulin, 23 mai 2002

Dp = 0.35

Détermination de la dispersion

→ ne varie pas avec l’échelle seul T varie

Application de la méthode

0

5

10

15

20

25

30

35

12:00 14:24 16:48 19:12 21:36

l/s/h

a 0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

mm

/h

Q QeDT+QeQT (QeDT+QeQT)min(QeDT+QeQT)max Qp QpminQpmax hyetogram

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

12:00 14:24 16:48 19:12 21:36

0

15

30

45mm

/h

(QeDT+QeQT)/Q (QeDT+QeQT)min/Q(QeDT+QeQT)max/Q Qp/QQpmin/Q Qpmax/Qhyetogram

Bassin du Moulin, 5 septembre 2002

Runoff (mm)% of total runoff

Min Mean Max

QeDT + Qe

QT 9.057%

9.460%

9.862%

Qp5.9

38%6.3

40%6.7

43%

Q 15.7

Lames écoulées et proportions des différentes contributions

60

40

Bilan des évènements

Évènement n° Pluie (mm)Eau évènementielle Eau pré-évènementielle

min moy max min moy max

1 79 100 0

2 29 17 19 23 77 81 83

3 36 100 0

4 25 57 60 62 38 40 43

5 35 77 86 97 3 14 23

6 150 74 82 87 13 18 26

7 30 20 22 24 76 78 80

8 50 28 43 57 43 57 72

Eau évènementielle exclusivement

Eau évènementielle minoritaire (~ 20 %)Large incertitude + contribution équivalente

Eau évènementielle majoritaire (60 à 80 %)

Modèle conceptuel des BV

Qp, Cp

Réserve hydrologique et hydrique

0

' ' 't

DTe rC t t C t dt

Stockage temporaire

QeDT, Ce

DT

P, Cr ENTREE

Q, C SORTIE

0

( )t

QTe rC t g C t d

Fonction de transfert

QeQT, Ce

QT

DM, CFF

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.0 1.0 2.0 3.0

T

Tp

obtenu à partir de l’expérimentation

Dp obtenu par calage

T lié à Tp obtenu à partir de l’hydrologie

Conclusion

Méthode originale de séparation d’hydrogrammes

Confrontation avec des modèles opérationnels - transfert vers d’autres bassins dans le cadre de la nouvelle décade PUB (bassins non jaugés)

Elaboration d’un modèle perceptuel puis conceptuel à partir d’expériences de terrain

→ 1 seul paramètre à caler

→ Valable et applicable pour d’autres bassins (contexte torrentiel marneux)

→ autres paramètres déduits de l’expérimentation

Merci pour votre attention !!!Merci pour votre attention !!!